Side 26-28: Det magnetiske køleskab

RISØNYT N O
1 2003 SÅDAN FÅR MATERIALER ANDERLEDES FYSISKE EGENSKABER
Det magnetiske køleskab
Af Rolf Haugaard Nielsen, videnskabsjournalist
Magnetisk køling er potentielt mere
energiøkonomisk end gaskøling,
som i dag bruges i køleskabe, og
man slipper helt for CFC og HCFC,
der nedbryder ozonlaget. Keramiske
magneter kan bane vejen for det
magnetiske køleskab.

Sådan fungerer det magnetiske køleskab
N S
VARM
N S
KOLD
Den magnetokaloriske effekt: Når en magnet bliver magnetiseret af en elektromagnet stiger
dens temperatur. Når magneten bagefter demagnetiseres falder temperaturen igen.
1 2 3 4
N S N S
Qout
N S N S
Den magnetiske kølecyklus starter (1) med at magneten bliver ført ind gennem en elektromagnet
og bliver opvarmet. Derpå (2) ledes varmen bort fra den via en varmeveksler.
Magneten bliver så demagnetiseret (3) hvilket afkøler den. Den kolde magnet kan til sidst (4)
opsuge en ny portion varme fra køleskabets indre gennem en anden varmeveksler.
Cirkulations
pumpe
Varme
sendes ud til
omgivelserne
Magnetsystem
Varmebro
Cirkulerende væske
Kuldebro
Qin
Område med kraftigt magnetfelt
Motor
Varme trækkes
ud af køleskabet
Et eksempel på hvordan et magnetisk køleskab kan fungere i praksis. Et porøst magnetisk
materiale bevæges gennem et kraftigt magnetfelt. Gennem en cirkulerende væske transporteres
varmen fra køleskabets indre til omgivelserne.
RISØNYT N O
1 2003
Magnetisk køling er gennem seks årtier
blevet brugt i forskningslaboratorier til at
opnå minusgrader tæt ved det absolutte
nulpunkt på minus 273 grader. Nu er
magnetisk køling måske på vej ind i hverdagen.
Demonstrationsmodeller af magnetiske
køleskabe, der fungerer omkring
stuetemperatur, er blevet fremstillet på
bl.a. AMES Laboratory i USA.
Det amerikanske køleskab er baseret på
en kølemagnet af metal, men på Risø har
Anders Reves Dinesen fra Afdelingen for
Materialeforskning netop vist, at man kan
opnå en sammenlignelig køleeffekt med
keramiske magneter. Det kan få stor praktisk
betydning, fordi keramikker er kemisk
meget stabile og i modsætning til metaller
ikke ruster ved kontakt med kølevæsken.
Derfor er keramiske magneter langtidsholdbare
– og vi skifter jo ikke køleskab
hver anden måned.
Magnetiske køleskabe og kølediske er
interessante af to grunde. For det første
har en magnetisk kølecyklus potentialet til
at blive betydeligt mere energiøkonomisk
end gaskøling, der anvendes i køleskabe i
dag. For det andet er det en fordel for miljøet,
at man ikke har brug for gas. Før i
tiden var kølegassen CFC, som ødelægger
Jordens ozonlag. I moderne køleskabe
anvendes HCFC, som ikke nedbryder
ozonlaget i nær samme grad, men som
alligevel anses for at være et miljøproblem.
Sådan virker det
Magnetisk køling er baseret på den magnetokaloriske
effekt, der har været kendt
siden 1881. Når et magnetiserbart materiale
som en jernstang isoleres termisk og
anbringes i et ydre magnetfelt, opstår der
magnetisk orden i jernet. Man kan betragte
jernatomerne som små stangmagneter,
der inden magnetiseringen pegede i vil-
27

RISØNYT N O
1 2003 SÅDAN FÅR MATERIALER ANDERLEDES FYSISKE EGENSKABER
kårlige retninger, men som nu alle retter
sig ind efter det ydre felt.
Den samlede uorden i et isoleret system
er imidlertid konstant. Derfor kompenserer
jernet for den øgede magnetiske orden
ved at sætte krystalgitteret i svingninger
med det resultat, at jernstangen opvarmes.
Når det ydre magnetfelt fjernes, og
den magnetiske orden i jernet forsvinder,
falder stangens temperatur igen ned til
udgangspunktet.
Et magnetiske køleskab udnytter effekten
i en cyklus med fire trin. Først magnetiseres
kølemagneten af en permanent magnet,
hvorved den opvarmes. Så fjernes
varmen ved hjælp af en varmeveksler med
det resultat, at kølemagneten nu både er
kølig og magnetiseret. Ved den efterfølgende
demagnetisering falder temperaturen
yderligere, så magneten bliver rigtig
kold. En anden varmeveksler tilfører nu
magneten varme fra omgivelserne og
afkøler på den måde køleskabet.
Så starter den samme cyklus forfra igen.
En kølevæske, fx vand, flyder i et kredsløb
mellem de to varmevekslere og fører
varme ud til køleribberne og kulde ind i
køleskabet.
Keramiske magneter
Alle magnetiske materialer mister magnetiseringen
ved en bestemt temperatur. Et
eksempel er jern, som ikke kan magnetiseres
ved temperaturer på over 800 grader.
Den magnetokaloriske effekt er størst lige
omkring den magnetiske overgangstemperatur,
og til køleskabe har man brug for
materialer med en overgangstemperatur
nær ved stuetemperatur.
Det er netop tilfældet for metallet gadolinium,
som de amerikanske forskere arbejder
med i legeringer med silicium og germanium.
Trods den gode ydeevne er legeringerne
ikke uden ulemper – de er dyre
og sårbare overfor korrosion.
Det er baggrunden for, at Anders Reves
Dinesen valgte at koncentrere sig om rustfri
keramiske magneter i sit ph.d. projekt,
som netop er afsluttet.
"Jeg fandt frem til, at lanthan manganitter
med forskellige tilsætningsstoffer er gode
alternativer. Keramikken er nem at
behandle, kan formes efter ønske og er
velegnet til industriel produktion," siger
Anders Reves Dinesen.
Lantan manganit, som er dopet med calcium,
har afhængigt af den nøjagtige
sammensætning en overgangstemperatur
på ca. minus 10 grader, og det er for koldt
til en køleskabsmagnet. Men ved at gradvist
at erstatte calcium med strontium er
det lykkedes at hæve overgangstemperaturen
til stuetemperatur. Helt gratis er det
ikke; man er nødt til at bruge en kraftigere
permanent magnet for at opnå en tilpas
stor magnetokalorisk effekt og dermed en
effektiv køling.
"Det er bestemt muligt, at vi kan udvikle
endnu bedre keramiske magneter ved
fortsat materialeforskning. Men resultaterne
er allerede så gode, at fremstillingen af
et laboratoriekøleskab er det naturlige
næste trin," siger Anders Reves Dinesen.