Magnetic cooling

¿Quizás los frigoríficos del futuro se basarán en compuestos magnéticos?

Refrigeración convencional

Las primeras máquinas de frío aparecieron por la necesidad de conservación de los alimentos. Anteriormente se recogía la nieve o el hielo en invierno y se guardaba durante el verano en habitáculos de adobe o en cavidades excavadas en zonas frescas de sombra.

Hasta 1913 no apareció el primer frigorífico doméstico, que era accionado a mano, y hasta 1918 el primer frigorífico con motor eléctrico.

El refrigerante

El primer aparato capaz de producir hielo lo construyó el médico y químico escocés William Cullen en 1748. Para ello utilizaba éter etílico como refrigerante, altamente explosivo, por lo que hubo muchos accidentes. Posteriormente se utilizaron otros compuestos como propano, butano o amoniaco hasta que en 1931 DuPont incorporó los CFCs también llamados freones, no inflamables y supuestos inicialmente inocuos. Más tarde se descubrió que los CFCs son los causantes del agujero de la capa de ozono, por lo que fueron prohibidos en 1995.

Actualmente se usan dos refrigerantes:

R134a, un hidrofluorocarbono, HFC, poco perjudicial para la capa de ozono, pero contaminante atmosférico que actúa como agente del cambio climático. Su fabricación debe ir disminuyendo hasta desaparecer a partir del año 2026.
R600a, isobutano inflamable, pero que puede ser utilizado en pequeñas cantidades con lo que el peligro se minimiza y no conlleva residuos tóxicos

Así funciona…

Las neveras o frigoríficos convencionales son dispositivos capaces de enfriar, es decir, de extraer el calor de los alimentos y expulsarlo al exterior.

El funcionamiento del frigorífico se basa en la compresión de los gases y la evaporación de los líquidos, es decir, en el calor implicado en los cambios de estado. El proceso que siguen estos sistemas de enfriamiento se basa en el Ciclo de Carnot.

En el frigorífico hay un circuito por el que circula el líquido refrigerante siempre que el motor, compresor, esté en marcha. El motor conectado a la red eléctrica produce un trabajo que se emplea en extraer calor de un foco frío (la cavidad del frigorífico) y que cede calor al foco caliente (la atmósfera).

Una parte del circuito está en el interior y por él circula refrigerante líquido que al evaporarse absorbe calor del entorno, enfriando el interior de la nevera. Este refrigerante vuelve a condensarse de nuevo al pasar a través del serpentín, que se encuentra en la parte posterior del frigorífico, cediendo calor al entorno, es decir, a la habitación. Por ello, si tocamos la parte posterior comprobaremos que está caliente.

La refrigeración magnética

Con esta nueva forma de refrigeración se pretende sustituir el uso de refrigerantes y compresores, ruidosos y voluminosos, por otro dispositivo que se basa en la física de un fenómeno distinto, el efecto magnetocalórico

Éste se basa en el calor asociado a algunos cambios que sufren ciertas sustancias al someterse a la acción de un campo magnético.

El efecto magnetocalórico

Fue descubierto por el físico alemán Emil Warburg cuando en 1881 observó que una pieza de hierro se calentaba al ponerla cerca de un imán potente.

La materia está compuesta por átomos, y algunos de ellos como el hierro, el níquel o el cobalto se comportan como pequeños imanes, por lo que se dice que tienen un momento magnético asociado que depende del número de electrones sueltos o desapareados que existe en el átomo. Normalmente estos se encuentran orientados al azar, lo que se conoce como paramagnetismo, pero cuando se aplica un campo magnético capaz de vencer la agitación térmica los momentos se alinean y puede haber una transición a orden magnético conocido como ferromagnetismo. Esta transición implica un aumento del orden interno, asociado a una variación de energía que se registra en forma de calor liberado.

En algunos materiales el orden ferromagnético se alcanza, incluso sin la presencia de un campo externo, por debajo de una temperatura crítica llamada temperatura de Curie Tc.

Frigoríficos magnéticos

En lugar de utilizar gases, se emplean sólidos magnéticos, en vez de ciclos de compresión-expansión, se trabaja con ciclos de imanación-desimanación.

Efecto magnetocalórico gigante

Si utilizamos materiales con una transición brusca al estado ferromagnético, acompañada de un cambio de volumen se produce un repentino desprendimiento de calor. Podemos forzar esta transición aplicando un campo magnético externo con lo que el calor producido es la suma del debido al alineamiento de los momentos magnéticos y del calor latente en una transición con cambio de volumen. Al quitar el campo magnético se produce el proceso opuesto de enfriamiento.

El primer compuesto que fue usado para la refrigeración magnética fue el gadolinio, posteriormente se descubrieron compuestos de gadolinio, silicio y germanio con mayor poder refrigerante que el gadolinio puro.

¿Cómo funciona?

1. Se introduce el material ferromagnético en el campo electromagnético, los momentos dipolares se alinean a favor del campo aumentando la temperatura de la aleación.
2. El compuesto se enfría hasta temperatura ambiente mediante el contacto con algún líquido que ponga en contacto el material con el exterior, en los refrigeradores magnéticos se usa agua.
3. Al sacar el material del campo magnético los momentos se orientan al azar debido a la agitación térmica de los átomos, la temperatura disminuye.
4. Una vez enfriado el material se pone en contacto con el medio a enfriar normalmente mediante un líquido que atraviesa el material ferromagnético.

Aunque la finalidad de la refrigeración magnética es evitar el uso de fluidos dañinos para la atmósfera, la eficiencia también resulta mejor que con los sistemas tradicionales, es decir, permiten un ahorro de energía. En un sistema tradicional basado en la compresión – expansión de un fluido la eficiencia raramente supera un 20% del límite teórico, obtenido en un ciclo de Carnot. En los prototipos probados de refrigeradores magnéticos se obtienen eficiencias de hasta un 60%, lo que supone decir que un refrigerador magnético consume la tercera parte de electricidad de uno convencional.

A todo esto se añade que la mecánica de un refrigerador magnético es más sencilla y robusta que en los refrigeradores convencionales, ya que no emplea fluidos a alta presión en los que pueden producirse fugas a la atmósfera.

La tecnología necesaria es realmente sencilla y lo que se necesita es encontrar materiales con suficiente capacidad refrigerante en el rango de temperaturas de cada aplicación.

En este momento los prototipos probados ya superan en todos los aspectos al método tradicional, pero no se ha llegado al límite de lo posible en la optimización de los materiales.

¿Qué hacemos en el ICMA?

La determinación de las propiedades magnetocalóricas de un material no es fácil, por lo que hasta el momento se utilizaban medidas indirectas de imanación o de capacidad calorífica en función del campo aplicado, puesto que las directas sólo presentaban muy baja precisión.

En el ICMA se ha desarrollado un sistema adiabático adaptado para determinar directamente el efecto magnetocalórico y que permite medir el incremento de temperatura producido al aplicar un campo en un material térmicamente aislado con un error inferior al 1%.

Varios grupos del Instituto de Ciencia de Materiales de Aragón estudian materiales con efecto magnetocalórico, con especial énfasis en aspectos térmicos, problemas magnéticos y estructurales o sistemas a muy baja temperatura.

Más Información.

Hacia los sistemas de refrigeración magnética