Ученые выяснили, что сплав никеля, марганца, олова и небольшого количества меди под действием магнитных полей охлаждается на 13 °С. Авторы предложили использовать эту особенность в гибридных системах охлаждения бытовых приборов, например холодильников
Руководитель проекта А. Г. Гамзатов и исполнители А. М. Алиев и А. Б. Батдалов наблюдают за экспериментом. И экспериментальная установка
Адлер Гамзатов
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.
В ходе испытаний ученые использовали диапазон температур от −25 до +50 °C, в котором наблюдается наибольшее изменение магнитных свойств исследуемого сплава
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, когда твердое вещество меняет температуру под воздействием окружающего его магнитного поля. Если объект поместить в постепенно усиливающееся магнитное поле, 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 — 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 до −20 °C, магнитное охлаждение позволяет достичь гораздо более низких температур, близких к абсолютному нулю (−273,15 °C). В последние годы было получено 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.
Зависимость температуры сплава никеля, марганца, олова и меди от магнитного поля
Адлер Гамзатов
Авторы провели эксперименты с этим сплавом, поместив его в прибор, к которому прикладываются постоянные и импульсные магнитные поля и поддерживаются разные температуры. В ходе испытаний ученые использовали диапазон температур от −25 до +50 °C, в котором наблюдается наибольшее изменение магнитных свойств исследуемого сплава. Оказалось, что в диапазоне температур от −20 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).
«Предложенный метод позволяет охлаждать объекты на 13 градусов Цельсия всего за 0,1 секунды. Для сравнения: чтобы охладить холодильник, работающий на основе газовых хладагентов, на 1,8 градуса, в среднем требуется одна минута»
Это значит, что такой материал перспективен для гибридных систем охлаждения. Это инновационный подход, в котором комбинируются традиционные методы охлаждения, например компрессорное или термоэлектрическое, и магнитное.
«Предложенный метод позволяет охлаждать объекты на 13 градусов Цельсия всего за 0,1 секунды. Для сравнения: чтобы охладить холодильник, работающий на основе газовых хладагентов, на 1,8 градуса, 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 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, и Исфаханского технологического университета.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Applied Physics Letters.
По материалам пресс-службы РНФ