O que é refrigeração magnética e como funciona

Um dia poderemos fabricar refrigeradores domésticos sem produtos químicos ou refrigerantes industriais. A principal esperança para isso vem de uma propriedade especial do metal e uma peculiaridade da entropia.

Todos nós brincávamos com ímãs quando éramos crianças, seja para atrair pequenos pedaços de metal ou até mesmo para formar figuras com o pó de grafite de um lápis, por exemplo. Ao fazer isso, inadvertidamente aquecemos esses pedaços de metais, não apenas com o calor de nossas mãos, mas porque o magnetismo pode aquecer os metais, esse fenômeno é chamado de efeito magnetocalórico.

Quando um pedaço de metal está em repouso, sozinho e sem influências externas, seus elétrons giram em qualquer direção, mas quando um imã é aproximado, o metal cai sob a influência de um campo magnético, seus elétrons circulam na mesma direção, causando uma perda de entropia, ou seja, os movimentos dos elétrons são restritos a um único movimento. A restrição não é total, os elétrons não podem girar para qualquer direção, mas podem se mover de diferentes maneiras. Nesse caso, a entropia aumenta permitindo que os átomos vibrem de maneira mais violenta. Essa vibração é comumente conhecida como calor.

Aplique um campo magnético a um pedaço de metal e ele se aquecerá. O efeito é moderado na maioria dos metais, mas alguns, como o gadolínio (Gd), realmente aquecem.

O gadolínio é um metal sólido branco prateado. É usado como componente em hastes de controle de reatores nucleares, em mecanismos eletrônicos, em ligas, em fornos de alta temperatura e em dispositivos de resfriamento magnético.

Parece uma boa maneira de cozinhar alimentos, não de resfriá-los, mas o efeito magnetocalórico funciona nos dois sentidos. Se um pedaço de metal está sob a influência de um campo magnético e o campo é removido, o metal esfria.

A maioria dos refrigeradores magnéticos atualmente usados ​​em laboratórios para resfriar pequenos objetos usa esse método. O hélio é uma substância geralmente aplicada ao metal enquanto o mesmo está sob um campo magnético estável. A substância absorve qualquer excesso de calor, o metal esfria e, em seguida, o campo magnético é removido, tornando o metal frio o suficiente para ser usado como unidade de resfriamento.

Atualmente, estão em andamento trabalhos para expandir ainda mais suas capacidades: O processo tecnológico para a produção comercial de gadolínio puro e seus compostos necessários está sendo aprimorado, o que permitirá obter maior valor da refrigeração magnética com menor custo.

Simultaneamente, a equipe do Laboratório Ames construiu um ímã permanente, capaz de criar um forte campo magnético. O novo ímã cria um campo duas vezes mais forte. É uma descoberta muito importante, porque a magnitude do campo magnético determina parâmetros como a eficiência e a potência de saída do refrigerador. Foram depositados pedidos de patente para a preparação de um composto para a substância de trabalho Gd5 (Si2Ge2) e a construção de um ímã permanente.

Prevê-se que o arrefecimento magnético possa ser utilizado em vários campos da atividade humana, por exemplo em:

• Misturadores de hidrogênio;
• Dispositivos de refrigeração de computador de alta velocidade;
• Ar-condicionado residencial e industrial;
• Sistemas de refrigeração de veículos;
• Frigoríficos domésticos e industriais.

Até o momento o desenvolvimento de refrigeradores magnéticos foram financiados pelo Departamento de Energia dos Estados Unidos, durante os últimos 20 anos.

Ciclo de refrigeração magnética

Vantagens e desvantagens do resfriamento magnético

Todos os refrigeradores magnéticos podem ser divididos em duas classes com base nos tipos de ímãs utilizados:

• Sistemas usando ímãs supercondutores;
• sistemas em ímãs permanentes.

O primeiro deles tem uma ampla faixa de temperaturas de operação e uma potência relativamente alta. Eles podem ser usados, por exemplo, em sistemas de ar-condicionado em grandes instalações e em equipamentos de armazenamento de alimentos.

Os sistemas de resfriamento de ímã permanente têm uma faixa de temperatura relativamente limitada (não mais que 303°K por ciclo) e podem, em princípio, ser usados ​​em dispositivos com potência média (até 100 Watts). Por exemplo, um refrigerador de carro ou um refrigerador de piquenique portátil. No entanto, ambos têm uma série de vantagens sobre os sistemas tradicionais de refrigeração de ciclo combinado:

Baixo risco ambiental

A unidade de trabalho é sólida e pode ser facilmente isolada do ambiente. Os metais utilizados como unidades de trabalho são de baixa toxicidade e podem ser reutilizados após o descarte do dispositivo. O meio de remoção de calor deve ter apenas uma baixa viscosidade e condutividade térmica suficiente, que corresponda bem às propriedades da água, hélio ou ar. Eles são totalmente compatíveis com o meio ambiente.

Alta eficiência

O aquecimento e o resfriamento magnetocalóricos são processos termodinâmicos praticamente reversíveis, ao contrário do processo de compressão de vapor no ciclo de trabalho de um refrigerador de ciclo combinado. Cálculos teóricos e estudos experimentais mostram que as unidades de resfriamento magnético são caracterizadas por maior eficiência e, em particular, no campo da temperatura ambiente, os refrigeradores magnéticos são potencialmente 20-30% mais eficazes do que aqueles que funcionam à temperatura ambiente. A tecnologia de resfriamento magnético no futuro pode ser muito eficaz, o que reduzirá significativamente o custo de tais instalações.

Longa vida útil

A tecnologia implica a utilização de um pequeno número de peças móveis e baixas frequências de funcionamento nos dispositivos de refrigeração, o que reduz significativamente o seu desgaste.

A flexibilidade da tecnologia

É possível usar em diferentes tipos de refrigeradores magnéticos dependendo da sua finalidade.

Propriedades úteis de congelamento

A tecnologia magnética permite resfriar e congelar várias substâncias (água, ar, produtos químicos) com pequenas alterações em cada caso. Em contraste, um ciclo de resfriamento de ciclo combinado eficiente requer muitos estágios segregados ou uma mistura de diferentes refrigerantes de trabalho para o mesmo processo.

Progresso e melhoria acelerados

O rápido progresso no desenvolvimento da supercondutividade e a melhoria das propriedades magnéticas dos ímãs permanentes são muito promissores. Atualmente, um grande número de empresas comerciais estão se empenhando em melhorar as propriedades dos ímãs de NdFeB (os ímãs permanentes mais eficientes), e estão trabalhando em suas construções. Juntamente com o progresso no campo da supercondutividade, pode-se esperar que a qualidade dos refrigeradores magnéticos melhore e que eles se tornem mais baratos.

Desvantagens do resfriamento magnético

• Necessidade de blindagem de uma fonte magnética;
• Preço atual relativamente alto de fontes de campo magnético;
• Faixa de temperatura limitada em um ciclo de resfriamento em sistemas de ímã permanente.

Um sonho distante?

A refrigeração magnética existe há muito tempo, mas o uso doméstico ainda é um sonho a longo prazo. O fato de um sistema de resfriamento magnetocalórico parecer eficiente, silencioso e exigir menos refrigerantes químicos o torna uma realidade cada vez mais viável para um mercado consumidor de massa.

Este artigo foi desenvolvido pela Imbera México. Confira outros posts como esse: https://blog.imberacooling.com/