Сплав никеля, марганца, олова и меди сделает холодильники экологичнее

Ученые выяснили, что сплав никеля, марганца, олова и небольшого количества меди под действием магнитных полей (при разовом включении/выключении магнитного поля) практически необратимо охлаждается на 13°С. Авторы предложили использовать эту особенность в гибридных системах охлаждения бытовых приборов, например холодильников. Такие системы комбинируют различные методы охлаждения для достижения более эффективной и экологически устойчивой работы. Результаты исследования, поддержанного Российским научным фондом (РНФ), опубликованы в журнале Applied Physics Letters.

Системы охлаждения используются в самых разных устройствах: кондиционерах, холодильниках и не только. Чаще всего они работают на принципах компрессорного охлаждения. Это значит, что понижение температуры происходит за счет хладагентов — веществ (обычно газов), которые при испарении «отнимают» тепло у того объекта, который нужно охладить.

Недостаток компрессорного охлаждения состоит в том, что хладагенты при повышенной температуре — например, при разморозке холодильника — выделяют токсичные соединения: фтор и хлорид водорода. Более экологичная и безопасная альтернатива — магнитное охлаждение, при котором твердое вещество меняет температуру под воздействием окружающего его магнитного поля. Так, если объект поместить в постепенно усиливающееся магнитное поле, то вещество станет охлаждаться и поглощать тепло из окружающей среды. Если силу магнитного поля, напротив, снижать, объект будет выделять тепло и нагреваться. Еще одно преимущество этого типа охлаждения заключается в том, что его можно использовать для достижения температур в очень широком диапазоне, включая экстремально низкие. Так, в сравнении с холодильником, который обычно работает в диапазоне от +4°C до -20°C, магнитное охлаждение позволяет достичь гораздо более низких температур, близких к абсолютному нулю (-273,15°C). В последние годы были получены несколько новых типов магнитных материалов, подходящих для магнитного охлаждения, однако их количество остается ограниченным.

Ученые из Института физики имени Х. И. Амирханова Дагестанского федерального исследовательского центра РАН (Махачкала) исследовали способность сплава на основе никеля, марганца, олова и небольшого количества меди изменять свою температуру под действием магнитного поля.

Авторы провели эксперименты с этим сплавом, поместив его в прибор, к которому прикладываются постоянные и импульсные магнитные поля и в котором поддерживаются разные температуры. В ходе испытаний ученые использовали диапазон температур от -25°C до +50°C, в котором наблюдается наибольшее изменение магнитных свойств исследуемого сплава. Оказалось, что в диапазоне температур от -20°C до 10°C намагниченность сплава резко изменяется, что может свидетельствовать о значительных изменениях температуры сплава при воздействии магнитного поля.

Авторам удалось, действуя на сплав магнитным полем, максимально снизить температуру образцов на 13,15°C. Такой эффект наблюдался, когда охлажденный до температуры 1,85°С сплав помещали в импульсное магнитное поле. При этом образец был изолирован от окружающей среды и не мог обмениваться с ней теплом. Когда магнитное поле отключали, сплав сохранял низкую температуру (около -11°С).

Это значит, что такой материал перспективен для гибридных систем охлаждения. Это инновационный подход, в котором комбинируются традиционные методы (например, компрессорное или термоэлектрическое) и магнитное охлаждение. «Предложенный метод позволяет охлаждать объекты на -13°C всего за 0,1 секунды. Для сравнения, чтобы охладить холодильник, работающий на основе газовых хладагентов, на 1,8°C, в среднем требуется одна минута. Поэтому магнитное охлаждение показывает более эффективные результаты. Полученные данные будут полезны при разработке гибридных систем охлаждения, например бытовых холодильников», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Адлер Гамзатов, ведущий научный сотрудник Института физики имени Х. И. Амирханова Дагестанского федерального исследовательского центра РАН.

В исследовании принимали участие ученые из Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова (Москва), Института низких температур и структурных исследований ПАН (Вроцлав), Дрезденской лаборатории высокого магнитного поля Центра им. Гельмгольца Дрезден-Россендорф (Дрезден), и Исфаханского технологического университета (Исфахан).