211service.com
Frigoriferi ecologici
I refrigeratori e i frigoriferi moderni potrebbero non causare buchi nello strato di ozono come le loro controparti pre-1994, ma utilizzano ancora i gas serra che stanno riscaldando il pianeta. Anche i loro compressori consumano molta energia: i condizionatori d'aria e i frigoriferi hanno utilizzato circa 340 miliardi di chilowattora nel 2005, quasi il 30% dell'energia totale utilizzata nelle case degli Stati Uniti.
Strumento interessante: Questa versione preliminare di un frigorifero magnetico ad alta efficienza energetica mostra un magnete da 1,2 tesla a forma di anello. Il magnete può racchiudere un cilindro mobile contenente materiali che si riscaldano in presenza di un campo magnetico e si raffreddano quando il campo viene rimosso. Quando si raffredda, il materiale assorbe calore dall'ambiente circostante.
I ricercatori del Risoe National Laboratory, a Roskilde, in Danimarca, sono ora un passo avanti verso la costruzione di un sistema di raffreddamento magnetico che promette frigoriferi ad alta efficienza energetica, rispettosi dell'ambiente e completamente silenziosi. Le temperature nei frigoriferi convenzionali oscillano tra -20 e 20 ºC. Raggiungere questo intervallo di temperatura di 40 ºC è una delle sfide più significative con la refrigerazione magnetica. I ricercatori danesi hanno costruito un frigorifero che può variare la temperatura di quasi 9 ºC.
Questo è un passo importante verso intervalli di temperatura pratici di 40 ºC, afferma Nini Pryds , uno scienziato senior di Risoe che sta guidando il lavoro. Il team di ricerca sta ora lavorando con Danfoss , uno dei maggiori produttori di compressori al mondo, per realizzare un prototipo commerciale; l'azienda dice che dovrebbe essere pronta entro il 2010.
La tecnologia di raffreddamento magnetico sfrutta materiali che si riscaldano quando esposti a un campo magnetico e si raffreddano quando il campo magnetico viene rimosso. Quando il materiale si raffredda, estrae calore dall'ambiente circostante. Maggiore è la differenza tra la temperatura più calda e quella più fredda raggiunta sotto l'influenza di un campo magnetico, migliore è il raffreddamento del materiale.
I refrigeratori magnetici sono utilizzati da anni nei laboratori per temperature criogeniche di decine di gradi sotto lo zero. Nel 1995, l'Ames Laboratory, in Iowa, dimostrò il primo frigorifero magnetico che raffreddava il contenuto in un ambiente a temperatura ambiente. L'azienda utilizzava il gadolinio metallico.
Da allora, i ricercatori hanno scoperto molti altri materiali che funzionano a temperatura ambiente. Il problema è che gli sbalzi di temperatura in tutte queste sostanze sono solo di pochi gradi. Raggiungere un grande cambiamento di temperatura è facile se si utilizza un magnete superconduttore, afferma Pryds. Ma i magneti superconduttori sono grandi e richiedono il raffreddamento, il che li rende poco pratici per gli elettrodomestici di tutti i giorni come i frigoriferi domestici e i condizionatori d'aria. Per queste applicazioni, dice, l'unico modo per farlo è un magnete permanente. Idealmente, dovrebbe essere un magnete piccolo ed economico con un campo inferiore a un tesla.
Ottenere grandi intervalli di temperatura con un magnete permanente richiede un po' di ingegneria intelligente. In genere, significa utilizzare liquidi di raffreddamento come l'acqua. Il materiale, con l'acqua che circola intorno ad esso, è posto alternativamente dentro e fuori un campo magnetico. Quando è in campo, si scalda. L'acqua circolante assorbe calore dal materiale e lo trasferisce a un dissipatore di calore. Quindi il campo magnetico viene rimosso e il materiale, che era già stato raffreddato dall'acqua, si raffredda ancora di più. Quando si raffredda, assorbe calore dall'acqua, rendendola abbastanza fredda da poter essere utilizzata come frigorifero. Questo ciclo caldo-freddo si ripete più e più volte.
Mettere insieme i diversi pezzi – materiale, magneti, raffreddamento a liquido – in un pratico frigorifero magnetico è difficile. I ricercatori devono progettare un sistema che ottenga una variazione di temperatura di almeno 40 ºC e una potenza di raffreddamento sufficiente (i frigoriferi attualmente hanno potenze fino a 150 watt) utilizzando un magnete permanente con un campo magnetico inferiore a un tesla. Ciò richiede un delicato equilibrio tra i parametri del sistema. Ad esempio, man mano che i ricercatori espandono l'intervallo di temperatura, la potenza di raffreddamento potrebbe diminuire o il sistema potrebbe richiedere più energia. È un incubo ingegneristico, afferma il ricercatore del laboratorio Ames Karl Gschneidner , un pioniere nel raffreddamento magnetico.
Ma le ricompense saranno tante. I frigoriferi magnetici saranno molto più efficienti dal punto di vista energetico rispetto ai frigoriferi convenzionali perché hanno solo bisogno di energia per far circolare l'acqua. Il consumo energetico dei frigoriferi magnetici [dovrebbe] essere inferiore del 60% rispetto alla refrigerazione tradizionale, afferma Pryds. Inoltre, a differenza dei frigoriferi convenzionali, i sistemi magnetici non necessitano di refrigeranti come gli idrofluorocarburi, che sono potenti gas serra.
Pryds è fiducioso che il lavoro del suo gruppo porterà a frigoriferi magnetici commerciali. Come altri gruppi di ricerca, il gruppo Risoe utilizza il design del raffreddamento ad acqua. Ma mentre la maggior parte dei team di ricerca utilizza la polvere di gadolinio, i ricercatori danesi utilizzano piastre realizzate con un materiale ceramico contenente lantanio, stronzio, calcio e manganese. Pryds dice che la ceramica è chimicamente stabile; non si corrodono in fluidi corrosivi come l'acqua. I piatti in ceramica dovrebbero anche essere più facili da produrre su larga scala. La combinazione di materiale ceramico e il design finale del frigorifero dei ricercatori, che non è ancora pubblico, potrebbe portare a un successo pratico, afferma.
Tuttavia, i ricercatori devono affrontare alcuni concorrenti difficili. I ricercatori dell'Ames Laboratory, in collaborazione con l'Aeronautics Corporation of America di Milwaukee, hanno realizzato sistemi con intervalli di temperatura di 25 ºC e 95 watt di potenza di raffreddamento utilizzando magneti da 1,5 tesla. Andrew Rowe e i suoi colleghi dell'Università di Victoria, in Canada, hanno realizzato sistemi di raffreddamento da 15 watt con intervalli di temperatura di 30 ºC. Nel frattempo, i ricercatori di Chubu Electric Power e Toshiba, in Giappone, sono scesi a circa 0,8 tesla per ottenere un intervallo di 10 ºC.
Le cose stanno migliorando, dice Gschneidner, e in altri 5-10 anni, i frigoriferi magnetici dovrebbero essere sul mercato. Molti gruppi di ricerca stanno ora lavorando su frigoriferi magnetici, realizzando materiali migliori e sviluppando progetti di sistema migliori. Inoltre, aggiunge Rowe, i magneti permanenti stanno diventando sempre più piccoli ed economici. I principi di base sono stati mostrati e dimostrati, dice. La refrigerazione magnetica funziona. Ora abbiamo bisogno di un po' di riflessione [e] buoni progetti, e si spera che queste cose si uniscano.