03.12.2020 - Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) e.V.

Cómo enfriar más eficientemente

Los científicos abren nuevos caminos en la refrigeración futura

En la revista Applied Physics Reviews, un equipo internacional de investigación de la Universidad de Barcelona, el Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), y la Universidad Técnica de Darmstadt informan sobre las posibilidades de aplicar procesos de refrigeración más eficientes y respetuosos con el medio ambiente. Para ello, investigaron los efectos de la exposición simultánea de ciertas aleaciones a campos magnéticos y tensiones mecánicas.

En el pasado, los investigadores se ocuparon principalmente del conocido "efecto magnetocalórico", que puede observarse cuando ciertos metales y aleaciones se exponen a un campo magnético: Los materiales cambian espontáneamente su orden magnético así como su temperatura, lo que los convierte en candidatos prometedores para los circuitos de enfriamiento magnético. "Recientemente se ha descubierto que podemos potenciar considerablemente este efecto en ciertos materiales añadiendo simultáneamente otros estímulos, como un campo de fuerza, o más específicamente, una carga mecánica", dice el Dr. Tino Gottschall del Laboratorio de Alto Campo Magnético (HLD) de la HZDR, describiendo el enfoque del equipo. Ya se conoce una pequeña gama de tales materiales "multicalóricos".

El equipo de investigación seleccionó una aleación especial de níquel-manganeso e indio como uno de los materiales más prometedores para sus experimentos. Se trata de una de las aleaciones magnéticas con "memoria de forma", cuya memoria es el resultado de la transformación de dos redes cristalinas diferentes: Si hay un estímulo externo, como un campo magnético, estas estructuras se transforman entre sí, lo que da lugar a alteraciones notables en el material; por ejemplo, no son raros los cambios de forma claramente perceptibles. Sin embargo, la característica especial del compuesto seleccionado es que a una determinada temperatura a la que cambian las estructuras cristalinas, las propiedades magnéticas del compuesto también cambian bruscamente: la estructura y el magnetismo están fuertemente acoplados.

Un dispositivo de medición hecho a medida

Con el fin de determinar las propiedades materiales necesarias para un proceso de enfriamiento eficiente, el equipo de Barcelona tuvo primero que desarrollar un calorímetro único, especialmente diseñado para medir el calor y que permite la aplicación simultánea de un campo magnético y de presión a la muestra. Para ello, los científicos aprovecharon un método conocido de ensayo de materiales y lo adaptaron a sus propósitos, sometiendo la muestra a un esfuerzo mecánico uniaxial.

Mientras que las densidades de flujo magnético variaron hasta 6 Tesla, que es 120.000 veces más fuerte que el campo magnético de la Tierra, el pico de tensión de compresión aplicado fue de un moderado 50 megapascales. Para el tamaño de la muestra dada, esa fuerza corresponde aproximadamente a una masa de 20 kilogramos. "Uno puede aplicar este tipo de presión a mano. Y ese es el aspecto decisivo para futuras aplicaciones, porque tales cargas mecánicas manejables son relativamente fáciles de aplicar", explica el Prof. Lluís Mañosa de la Universidad de Barcelona, añadiendo: "El reto para nosotros era integrar mediciones precisas tanto de la tensión de compresión como de la tensión en nuestro calorímetro sin distorsionar las condiciones de medición".

Se busca: control de procesos para su aplicación práctica

La evaluación de los resultados obtenidos fue bastante compleja. Los investigadores registraron varios parámetros simultáneamente, como el cambio de temperatura, la densidad del flujo magnético, el esfuerzo de compresión y la entropía de la aleación durante las fases programadas de enfriamiento y calentamiento cerca de una temperatura específica a la que el material dado experimenta transformaciones en la red cristalina que conducen a un cambio en la magnetización. En la aleación utilizada, este proceso se produce a temperatura ambiente, lo que también es ventajoso para su posterior aplicación práctica.

Las mediciones grafican el comportamiento de la muestra en un espacio cuatridimensional. Mapear este espacio de manera significativa requiere una serie de experimentos, que resultan en campañas de medición a gran escala. Para el profesor Oliver Gutfleisch de la Universidad Técnica de Darmstadt, el esfuerzo vale la pena: "La interacción de los diferentes estímulos en los materiales multicalóricos apenas ha sido investigada hasta ahora. Nuestra aleación de níquel, manganeso e indio es el compuesto prototipo mejor investigado en esta clase de materiales hasta la fecha. Nuestro trabajo ha llenado algunos puntos en blanco en su mapa de propiedades".

Ahora los científicos pueden evaluar pragmáticamente el beneficio de la carga de presión adicional - un objetivo central de investigación del Proyecto de Subvención Avanzada Cool Innov de ERC. En un ciclo de enfriamiento con imanes permanentes de neodimio disponibles en el mercado, la eficiencia de enfriamiento podría duplicarse aplicando simultáneamente un campo de fuerza. El equipo asume que el nuevo proceso también será de gran valor cuando se busquen otros materiales de enfriamiento prometedores para el futuro.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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