ХОЛОДИЛЬНИК БУДУЩЕГО

ХОЛОДИЛЬНИК БУДУЩЕГО: МАГНИТ ВМЕСТО КОМПРЕССОРА

Сегодняшние холодильные установки малоэффективны и неэкологичны. Британские инженеры разрабатывают холодильник принципиально новый конструкции с водой вместо хладагента и магнитом вместо компрессора.

Подавляющее большинство сегодняшних домашних холодильников — как, впрочем, и промышленных холодильных установок — представляют собой компрессорные устройства, в которых циркулирует хладагент, меняя свое агрегатное состояние с жидкого на газообразное и обратно. Этот принцип неплохо себя зарекомендовал с точки зрения надежности, однако сегодня он уже не отвечает требованиям экологии, да и экономики, поэтому инженеры работают над холодильными установками нового поколения, которые, во-первых, потребляют существенно меньше электроэнергии, а во-вторых, обходятся без ядовитого хладагента, причиняющего ущерб окружающей среде.

Ставка делается на так называемое магнитное охлаждение. Через 3-4 года такой холодильник должен появиться на рынке. Привычный компрессор уступит в нем место бесшумному магнитному приводу. Британский физик Джеймс Мур (James Moore), сотрудник Королевского колледжа науки, техники и медицины при Лондонском университете, объясняет суть принципа так: «Эффект охлаждения вызывается материалом, способным намагничиваться. Это — ключевой элемент всего процесса. На задней стенке этого холодильника расположен сильный постоянный магнит и вращающийся диск, на котором размещен, разработанный нами специальный материал. При каждом обороте диска этот материал входит в поле постоянного магнита, а затем снова выходит из него. Находясь в поле, он намагничивается и при этом нагревается. Вне поля он размагничивается и при этом охлаждается, причем до температур значительно более низких, чем температура окружающего помещения. Вот на этом эффекте и работает наш холодильник», — говорит Мур.

Гадолиний — хорош, но не по карману

То, что тут описывает Джеймс Мур, в физике именуется магнетокалорическим эффектом. Наиболее отчетливо он проявляется у ферро- и парамагнетиков. К последним относятся, например, многие соли железа, кобальта, никеля и ряда редкоземельных металлов. Попав во внешнее магнитное поле, такие вещества намагничиваются за счет переориентации магнитных моментов микрочастиц вдоль силовых линий поля. Покидая внешнее магнитное поле, парамагнетики размагничиваются, при этом на разупорядочение магнитных моментов тратится внутренняя энергия парамагнетика, что и вызывает его охлаждение. «В нашем магнитном агрегате мы используем в качестве холодильного теплоносителя обычную воду, — говорит Джеймс Мур. — Она циркулирует в замкнутом контуре. Протекая мимо того места, где размагничивается наш парамагнитный диск, вода охлаждается, а затем несет этот холод внутрь холодильника».

К материалам с наиболее сильно выраженным магнетокалорическим эффектом относятся соли редкоземельного металла гадолиния — например, сернокислый гадолиний или хлористый гадолиний. «Однако для применения в магнитных холодильниках эти соединения не годятся, — замечает профессор Лесли Коэн (Lesley Cohen), специалистка в области физики твердого тела. — Причина, по которой гадолиний не может быть использован в бытовой технике, проста: этот метал чрезвычайно дорог. Его соединения используются только в космической технике или в тех научных экспериментах, где требуются крайне низкие температуры, близкие к абсолютному нулю».

Будущее — за наноструктурированными материалами

Однако британские исследователи нашли выход из тупика. Они обнаружили, что магнетокалорические свойства материала зависят не только от его химического состава, но и от его структуры. Мельчайшие дефекты кристаллической решетки, то есть наличие неких свободных атомов, не желающих упорядочиваться, резко усиливают охлаждающий эффект при размагничивании. Причем такие дефекты, такие включения легко получить искусственным путем и тем самым обойтись без драгоценного гадолиния.

«Наши исследования свидетельствуют о том, что в принципе возможно получение материала, как бы скроенного по нашей мерке, то есть обладающего нужными нам свойствами, — говорит Лесли Коэн. — Такой процесс называется наноструктуризацией. С его помощью мы намерены оптимизировать поведение парамагнетиков в магнитном поле и добиться более сильного эффекта охлаждения».

С точки зрения эффективности превращения электроэнергии в холод магнитные холодильники уже сегодня превосходят компрессорные. В ходе лабораторных испытаний прототипа такой магнитной холодильной установки коэффициент ее полезного действия составил 60 процентов — притом, даже у лучших моделей традиционных аппаратов этот показатель едва достигает 40 процентов. Лесли Коэн считает это важнейшим аргументом в пользу нового холодильника: «Задача энергосбережения сегодня актуальна как никогда, и тут наша разработка будет как нельзя более кстати. Ведь в одних только США половина всей потребляемой летом энергии расходуется холодильниками и кондиционерами».

Автор: Владимир Фрадкин. Редактор: Ефим Шуман.