Lodówki przyjazne dla środowiska

Nowoczesne lodówki i lodówki mogą nie powodować dziur w warstwie ozonowej, jak ich odpowiedniki sprzed 1994 roku, ale nadal wykorzystują gazy cieplarniane, które ogrzewają planetę. Ich sprężarki również zużywają dużo energii: klimatyzatory i lodówki zużyły około 340 miliardów kilowatogodzin w 2005 r. – prawie 30 procent całkowitej energii zużywanej w amerykańskich domach.

Fajne narzędzie: Ta wstępna wersja energooszczędnej lodówki magnetycznej ma magnes o wartości 1,2 tesli w kształcie pierścienia. Magnes może obejmować ruchomy cylinder zawierający materiały, które nagrzewają się w obecności pola magnetycznego i stygną po usunięciu pola. Podczas ochładzania materiał pochłania ciepło z otoczenia.

Naukowcy z Narodowego Laboratorium Risoe w Roskilde w Danii są teraz o krok bliżej do zbudowania magnetycznego systemu chłodzenia, który obiecuje energooszczędne, przyjazne dla środowiska i całkowicie bezgłośne lodówki. Temperatury w konwencjonalnych lodówkach wahają się między -20 a 20 ºC. Osiągnięcie takiej rozpiętości temperatur wynoszącej 40 °C jest jednym z najważniejszych wyzwań związanych z chłodzeniem magnetycznym. Duńscy naukowcy zbudowali lodówkę, która może zmieniać temperaturę o prawie 9 ºC.

To ważny krok w kierunku praktycznych rozpiętości temperatur do 40ºC, mówi Nini Pryd , starszy naukowiec w Risoe, który kieruje pracami. Zespół badawczy pracuje teraz z Danfoss , jednego z największych producentów sprężarek na świecie, zbudowanie komercyjnego prototypu; firma twierdzi, że powinna być gotowa do 2010 roku.

Technologia chłodzenia magnetycznego wykorzystuje materiały, które nagrzewają się pod wpływem pola magnetycznego i schładzają po usunięciu pola magnetycznego. Gdy materiał stygnie, wyciąga ciepło z otoczenia. Im większa różnica między najwyższą i najniższą temperaturą uzyskaną pod wpływem pola magnetycznego, tym lepiej materiał stygnie.

Chłodnice magnetyczne są używane od lat w laboratoriach do temperatur kriogenicznych dziesiątek stopni poniżej zera. W 1995 roku Ames Laboratory w stanie Iowa zademonstrowało pierwszą lodówkę magnetyczną, która chłodzi zawartość w temperaturze pokojowej. Firma wykorzystała metalowy gadolin.

Od tego czasu naukowcy odkryli wiele innych materiałów, które działają w temperaturze pokojowej. Problem w tym, że wahania temperatury we wszystkich tych substancjach wynoszą tylko kilka stopni. Osiągnięcie dużej zmiany temperatury jest łatwe, jeśli użyjesz magnesu nadprzewodzącego, mówi Pryds. Ale magnesy nadprzewodzące są duże i same wymagają chłodzenia, co czyni je niepraktycznymi w przypadku urządzeń codziennego użytku, takich jak domowe lodówki i klimatyzatory. Do takich zastosowań, jak mówi, jedyną drogą jest magnes trwały. Idealnie powinien to być mały, tani magnes o polu poniżej jednej tesli.

Uzyskanie dużych zakresów temperatur za pomocą magnesu trwałego wymaga sprytnej inżynierii. Zazwyczaj oznacza to używanie płynów chłodzących, takich jak woda. Materiał wraz z krążącą wokół niego wodą jest naprzemiennie umieszczany w polu magnetycznym i poza nim. Kiedy jest w terenie, nagrzewa się. Obiegająca woda pobiera ciepło z materiału i przekazuje je do radiatora. Następnie pole magnetyczne jest usuwane, a materiał, który był już chłodzony przez wodę, stygnie jeszcze bardziej. Gdy się ochładza, pochłania ciepło z wody, dzięki czemu jest wystarczająco zimna, aby służyć jako lodówka. Ten cykl gorąco-zimno powtarza się w kółko.

Umieszczenie różnych elementów – materiału, magnesów, chłodzenia cieczą – razem w praktycznej lodówce magnetycznej jest trudne. Naukowcy muszą zaprojektować system, który osiąga co najmniej 40-stopniową zmianę temperatury i wystarczającą moc chłodzenia – lodówki mają obecnie moc nawet 150 watów – przy użyciu magnesu trwałego o polu magnetycznym mniejszym niż jedna tesla. To wymaga delikatnej równowagi pomiędzy parametrami systemu. Na przykład, gdy naukowcy rozszerzają zakres temperatur, moc chłodzenia może spaść lub system może potrzebować więcej energii. To inżynierski koszmar, mówi badacz z Ames Laboratory Karl Gschneidner , pionier w dziedzinie chłodzenia magnetycznego.

Ale nagrody będą obfite. Lodówki magnetyczne będą znacznie bardziej energooszczędne niż tradycyjne lodówki, ponieważ potrzebują energii tylko do obiegu wody. Zużycie energii przez lodówki magnetyczne [powinno] być nawet o 60 procent niższe niż tradycyjne chłodzenie, mówi Pryds. Ponadto, w przeciwieństwie do konwencjonalnych lodówek, systemy magnetyczne nie wymagają czynników chłodniczych, takich jak fluorowęglowodory, które są silnymi gazami cieplarnianymi.

Pryds jest przekonany, że praca jego grupy doprowadzi do powstania komercyjnych lodówek magnetycznych. Podobnie jak inne zespoły badawcze, grupa Risoe wykorzystuje projekt chłodzenia wodą. Ale podczas gdy większość zespołów badawczych używa proszku gadolinu, duńscy naukowcy używają płytek wykonanych z materiału ceramicznego zawierającego lantan, stront, wapń i mangan. Pryds twierdzi, że ceramika jest chemicznie stabilna; nie korodują w korodujących płynach, takich jak woda. Płyty ceramiczne powinny być również łatwiejsze w produkcji na dużą skalę. Mówi, że połączenie materiału ceramicznego i ostatecznego projektu lodówki – który nie jest jeszcze upubliczniony – może doprowadzić do praktycznego sukcesu.

Badacze mają jednak do czynienia z twardą konkurencją. Badacze z Ames Laboratory, współpracujący z Aeronautics Corporation z siedzibą w Milwaukee, stworzyli systemy o rozpiętości temperatur 25 ºC i 95 watów mocy chłodniczej przy użyciu magnesów 1,5 tesli. Andrzej Rowe i jego koledzy z University of Victoria w Kanadzie opracowali 15-watowe systemy chłodzenia o rozpiętości temperatur do 30 ºC. Tymczasem naukowcy z Chubu Electric Power i Toshiba w Japonii obniżyli zakres do około 0,8 tesli, aby uzyskać rozpiętość 10°C.

Sprawy idą w dobrym kierunku, mówi Gschneidner, i za kolejne 5 do 10 lat lodówki magnetyczne powinny pojawić się na rynku. Wiele grup badawczych pracuje obecnie nad lodówkami magnetycznymi, tworząc lepsze materiały i wymyślając lepsze projekty systemów. Ponadto dodaje Rowe, magnesy trwałe stają się coraz mniejsze i tańsze. Podstawowe zasady zostały pokazane i zademonstrowane – mówi. Chłodzenie magnetyczne działa. Teraz potrzebujemy solidnego myślenia [i] dobrych projektów i miejmy nadzieję, że te rzeczy się połączą.

ukryć