ΨΥΓΕΙΟ ΔΟΥΛΕΥΕΙ ΜΕ ΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟ

Αλματα στην τεχνολογία της ψύξης οδηγούν σε νέα, οικολογικά και οικονομικά, ψυγεία. 

Ποιος δεν θα χαιρόταν ένα οικολογικό ψυγείο, αθόρυβο, χωρίς υγρά που μολύνουν την ατμόσφαιρα και με τη μισή κατανάλωση ενέργειας; 

Πρόκειται ουσιαστικά για αξιοποίηση του ίδιου «Thermocaloric Effect - TCE» με το οποίο ασχολήθηκε ο Μίστσενκο. Ο συνάδελφός του όμως Καρλ Σάντεμαν (Karl Sandeman) εστίασε στο μαγνητικό του κομμάτι, το Μαγνητοθερμικό Φαινόμενο (Magnetocaloric Effect - MCE), για να φτιάξει ένα ψυγείο που δουλεύει μόνο με μαγνητισμό. Θεωρητικά το κατόρθωσε από το 2004, οπότε και ίδρυσε την ανάλογη εταιρεία εκμετάλλευσης της εφεύρεσης, την Camfridge. Στην πράξη όμως το πρώτο πρωτότυπο ενός τέτοιου ψυγείου μόλις τώρα μπήκε στην πρίζα και... δουλεύει!

Εκατό χρόνια φρέον άνευ λόγου

Το 1881 ο γερμανός φυσικός Εμίλ Βάρμπουργκ (Emil Warburg) έβαλε ένα κομμάτι σίδερο σε ισχυρό μαγνητικό πεδίο και εντόπισε μια ελάχιστη μεταβολή της θερμοκρασίας του. Τι είχε συμβεί; Οπως γνωρίζουμε πλέον σήμερα, τα ηλεκτρόνια χοροπηδούν μέσα στο πεδίο ώσπου να ευθυγραμμιστούν σε μια χαμηλότερη ενεργειακή κατάσταση, απελευθερώνοντας το περίσσευμα ενέργειας. Το μέταλλο αλλάζει τη θερμοκρασία του - ακολουθώντας το ονομασθέν «μαγνητοθερμικό φαινόμενο» - με τη μεγαλύτερη θερμοκρασιακή μεταβολή σε μια συγκεκριμένη φάση.

Η ανακάλυψη του Βάρμπουργκ δεν έφθασε ποτέ στα σπίτια μας. Αξιοποιήθηκε πολύ αργότερα, από τη δεκαετία του '30 και έπειτα, στην «κρυοφυσική», αλλά εμείς χρησιμοποιούσαμε τα ψυγεία με φρέον (CFC) που ανακάλυψε ο Αμερικανός Τόμας Μίντγκλεϊ (Thomas Midgley) το 1928. Αυτό ως το 1987, οπόταν το Πρωτόκολλο του Μόντρεαλ «καταδίκασε» το φρέον ως κύριο υπεύθυνο για την τρύπα του όζοντος στην ατμόσφαιρα. Οι κατασκευαστές ψυγείων ανταποκρίθηκαν με υποκατάστασή του από το HCFC, αλλά και αυτό συμβάλλει στο φαινόμενο του θερμοκηπίου. Τι θα μπορούσε να πάρει τη θέση των επιβλαβών αυτών υγρών, χωρίς να χάσουμε την πολύτιμη ψύξη;

Ξεσκονίζοντας παλιές σημειώσεις

Η λύση ήλθε με το ξαναδιάβασμα των σημειώσεων του Βάρμπουργκ. «Εχουμε να κάνουμε με ένα καθαρά κβαντικό φαινόμενο» εξήγησε ο Σάντεμαν. «Αν παρέμβεις ώστε να αλλάξεις αιφνίδια τον βαθμό αναδιάταξης της στροφορμής των ηλεκτρονίων, τότε παίρνεις ακόμη πιο μεγάλη απόκριση». Σε θερμοκρασία δωματίου η μεταβολή θερμοκρασίας του σιδήρου λόγω ύπαρξης μαγνητικού πεδίου είναι μόλις 0,1 βαθμός Κελσίου. Αρκεί να έχεις ένα υλικό που αντί να θερμαίνεται να ψύχεται - και, μάλιστα, ραγδαία - για να οδηγηθείς στην κατασκευή ενός μαγνητικού ψυγείου με υγρά χωρίς παρενέργειες.

Ο Σάντεμαν το έψαξε και το βρήκε στο ορυκτό στοιχείο γαδολίνιο (gadolinium - Gd). Οπως είχαν δημοσιεύσει από το 1996 ερευνητές του Εργαστηρίου AMES του υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ, τo ασημί αυτό μέταλλο έχει τη θερμοκρασία μαγνητικής διαταραχής του στους 20 βαθμούς Κελσίου και εμφανίζει ένα «γιγαντιαίο μαγνητοθερμικό φαινόμενο», αρκετών βαθμών. Το γαδολίνιο είναι απορριπτέο παραπροϊόν της βιομηχανικής παραγωγής μόνιμων μαγνητών, αλλά κοστίζει 150 ευρώ ανά κιλό. Για ένα «μαγνητικό ψυγείο» χρειάζονται 150 γραμμάρια γαδολινίου. Επρεπε να βρεθεί κάτι πιο φθηνό.

Το κατάλληλο υλικό

Η εργασία του Σάντεμαν δημοσιεύθηκε το 2004 και επιβεβαιώθηκε από αντίστοιχες εργασίες της ελβετικής Ecole d' Engenieurs du Canton de Vaud, του αμερικανικού Iowa Ames National Laboratory και των ιαπωνικών Chubu Labs, αλλά εκείνος συνέχισε να ψάχνει για ένα καταλληλότερο υλικό. Για το πρωτότυπό του, που παρουσίασε εφέτος, χρησιμοποίησε ένα κράμα δύο γνωστών μαγνητικών υλικών, του κοβαλτίου και του μαγκανίτη: CoMnSi1-xGex. Το μαγνητικό αυτό κράμα - θερμικά μονωμένο, αρχικά - εισέρχεται σε μαγνητικό πεδίο και αυξάνει τη θερμοκρασία του. Επειτα ο μαγνήτης έρχεται σε επαφή με υγρό που απάγει την επιπλέον θερμότητά του (ένα αντιψυκτικό υγρό όπως αυτό των αυτοκινήτων μας). Στη συνέχεια ο μαγνήτης βγαίνει από το μαγνητικό πεδίο, για να κρυώσει. (Η εναλλαγή αυτή είναι κατορθωτή μέσω ενός δακτυλίου που κρατά τον μαγνήτη αιωρούμενο στο αντιψυκτικό υγρό και τον περιστρέφει μεταξύ του θερμού και του ψυχρού εναλλάκτη θερμότητας.) Τώρα είναι πιο κρύος απ' ότι στην αρχή, καθώς τα ηλεκτρόνιά του ανακτούν την άτακτη διάταξή τους, οπότε είναι έτοιμος να απορροφήσει θερμότητα. Το μόνο που χρειάζεται είναι να επαναλαμβάνεται στο διηνεκές η όλη διαδικασία. Αυτό είναι που φέρνει την ψύξη στο εσωτερικό του νέου «κβαντικού ψυγείου» μας.

Επανάσταση στην ψύξη

Ουσιαστικά πρόκειται για την πρώτη τεχνολογική επανάσταση στον κόσμο των ψυγείων εδώ και έναν αιώνα. Οχι μόνον δεν χρησιμοποιεί επιβλαβή υγρά, αλλά κατορθώνει και μια κολοσσιαία περικοπή κατανάλωσης ενέργειας, της τάξεως του 40%-50%. Κατά την Camfridge το προϊόν θα αρχίσει να παράγεται βιομηχανικά από το 2008. Με το 15% της βρετανικής κατανάλωσης ενέργειας να πηγαίνει στα ψυγεία και στα κλιματιστικά (με πολύ μεγαλύτερο ποσοστό σε θερμές χώρες όπως η δική μας), η τεράστια οικονομική επιτυχία του εγχειρήματος μοιάζει δεδομένη. Ο ίδιος ο Σύνδεσμος Ανθρακα (Carbon Trust), που συγχρηματοδοτεί τις εργασίες του Σάντεμαν, δηλώνει ότι η εφεύρεση θα γλιτώσει τη Βρετανία από τα 22 εκατομμύρια τόνους διοξειδίου του άνθρακα που εκπέμπονται ετησίως για τέτοια ψύξη.

Το θέμα όμως δεν έχει τελειώσει οριστικά. Το κράμα του Σάντεμαν αποδίδει επιτυχώς σε μαγνητικό πεδίο 2,5 τέσλα, πράγμα που σημαίνει ότι χρειάζεται ηλεκτρομαγνήτη για να εκκινήσει το μαγνητοθερμικό φαινόμενο. Η προσπάθεια είναι να βρεθεί υλικό που θα δουλεύει με πεδίο μόλις 1,5 τέσλα, οπότε θα αρκεί ένας απλός μόνιμος μαγνήτης. Τότε θα έχουμε όντως ένα αθόρυβο, ενεργειακά αμελητέο και άκρως οικολογικό ψυγείο ή κλιματιστικό. a.kafantaris@gmail.com

Ψυγείο που δουλεύει με μαγνήτες αντί για ρεύμα.

Πραγματικά είναι λίγο περίεργο να μαθαίνουμε ότι ένα ψυγείο (μια από τις σχετικά ενεργοβόρες συσκευές του σπιτιού) μπορεί να λειτουργήσει και να παράγει αποδοτική ψύξη μόνο με μαγνήτες.
Δεν είναι όμως επιστημονική φαντασία αλλά πραγματικότητα.

Ερευνητές στην Δανία ,και συγκεκριμένα από το Technical University of Denmark, εφήυραν έναν τρόπο να “παράγουν” ψύξη χρησιμοποιώντας μαγνήτες.
Η μέθοδος βασίζεται στην ύπαρξη αντίθετων μαγνητικών πεδίων, τα οποία χρησιμοποιούνται για να αυξήσουν την θερμοκρασία σε ένα υλικό. Κατόπιν η θερμότητα μεταφέρεται μέσω του νερού ή άλλου μέσου και μέσω της θερμοδυναμικής ψύχει έναν συγκεκριμένο χώρο.
Οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι το νέο ψυγείο θα έχει απόδοση μέχρι και 60% περισσότερο από τα κλασσικά ψυγεία.
Τα πλεονεκτήματα μιας τέτοιας εφεύρεσης είναι κάτι παραπάνω από εμφανή.
Τα νέα ψυγεία θα είναι αθόρυβα.
Δεν θα καταναλώνουν ηλεκτρικό ρεύμα.
Θα είναι φιλικά προς το περιβάλλον.
Θα είναι πιο αποδοτικά.
Σε δοκιμές που έκαναν, κατάφεραν να ρίξουν την θερμοκρασία ενός χώρου από τους είκοσι βαθμούς Κελσίου στους έντεκα.

Η νέα αυτή τεχνολογία αν και προς το παρόν είναι σε ερευνητικό στάδιο. Η τιμή τους βέβαια θα είναι σχετικά τσιμπημένη ,αρχικά τουλάχιστον, σε σχέση με την ήδη εδραιωμένη τεχνολογία των ηλεκτρικών ψυγείων.

 Για την ιστορία να πούμε ότι η ψύξη μέσω μαγνητικού πεδίου, δεν είναι κάτι καινούριο.

Η βασική αρχή λειτουργία της μαγνητικής ψύξης βασίζεται στο μαγνητοθερμιδικό φαινόμενο. 

Τα πρώτα λειτουργικά μαγνητικά ψυγεία κατασκευάστηκαν το 1933 (όχι για ψύξη τροφίμων βέβαια!). 

Η μαγνητική ψύξη αυτών των ψυγείων χρησιμοποιείται για την επίτευξη εξαιρετικά χαμηλών θερμοκρασιών, πέρα από τους -270 βαθμούς Κελσίου (!!!) για ερευνητικούς σκοπούς. 

Εκεί βέβαια δεν χρησιμοποιούνται απλοί μαγνήτες, αλλά υπεραγωγοί , και θερμοκρασίες κοντά σε εκείνες του υγρού αζώτου, πράγμα που κάνει την χρήση τους σε σπίτι απίθανη. 

Για περισσότερες λεπτομέρειες όσον αφορά το φαινόμενο και την ιστορία των μαγνητικών ψυγείων ανατρέξτε ΕΔΩ. ]
 http://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_refrigeration

Οι ερευνητές από την Δανία ,αυτό που κατάφεραν ήταν να εκμεταλλευτούν τον τρόπο λειτουργίας των ψυγείων αυτών (των σούπερ ψυγείων) αλλά με λιγότερο εξωτικά και λιγότερο ακριβά υλικά και για την ψύξη χώρων σε πιο “λογικές” θερμοκρασίες (10- 20 βαθμούς Κελσίου).

Για να διαβάσετε περισσότερα για το άρθρο που αφορά τους ερευνητές από την Δανία ανατρέξτε ΕΔΩ.
 http://denmark.dk/en/green-living/?sc_lang=en

Την είχαν θάψει γιατί αυτή η αρχή λειτουργίας σε συνδυασμό με κινητήρα Stirling παράγει τζάμπα ενέγεια.
Πολλά απόρρητα εργαστήρια ψάχνουν για φθηνότερα υλικά από το γαδολίνιο.