© Fraunhofer IPM Mise en place d'un système de refroidissement magnétocalorique :Les segments représentés en gris contiennent le matériau magnétocalorique. Ce matériau est alternativement chauffé et refroidi par l'aimant rotatif. En raison de la structure interne des segments, la chaleur est transférée à l'air ambiant sur le côté droit tandis que sur le côté gauche, la chaleur est retirée du récipient à refroidir.
Une découverte de 1917 devient viable pour l'avenir. Une équipe de chercheurs de l'Institut Fraunhofer pour les techniques de mesure physique IPM développe des systèmes de refroidissement magnétocaloriques efficaces qui se débrouillent sans réfrigérants nocifs. Les chercheurs espèrent atteindre 50 pour cent du niveau d'efficacité maximum avec leur processus. Les systèmes magnétocaloriques existants comparables n'atteignent qu'environ 30 pour cent.
De nombreux groupes de recherche dans le monde travaillent sur les réfrigérateurs, systèmes de refroidissement industriels et climatiseurs qui pompent la chaleur à l'aide de matériaux magnétocaloriques. Le cycle de chauffage et de refroidissement généré par la magnétisation est parfaitement adapté au refroidissement. Le physicien Dr. Kilian Bartholomé et son équipe au Fraunhofer IPM à Fribourg, Allemagne, utilisent cette technologie pour développer un concept de conductivité thermique extrêmement efficace qui élimine le besoin de réfrigérants nocifs pour l'environnement.
Il existe une forte demande pour des technologies de refroidissement innovantes, puisque les hydrofluorocarbures (HFC) conventionnels utilisés aujourd'hui sont de puissants gaz à effet de serre. Pour cette raison, l'UE a considérablement restreint l'utilisation des HFC. Il existe des alternatives aux HFC, tels que les réfrigérants naturels butane et propane, qui sont utilisés par ex. dans les réfrigérateurs domestiques. Ces gaz sont inflammables, mais pas considéré comme dangereux dans les quantités utilisées dans les réfrigérateurs ménagers. Toujours, ils ne constituent pas une option viable pour les grands systèmes de refroidissement tels que ceux que l'on trouve dans les supermarchés. L'industrie travaille sur des réfrigérants alternatifs mais n'a pas encore trouvé de solutions convaincantes.
Alliage lanthane-fer-silicium respectueux de l'environnement en tant que matériau magnétocalorique
Un système de refroidissement magnétocalorique ne nécessite aucun réfrigérant nocif. Les chercheurs utilisent un alliage lanthane-fer-silicium respectueux de l'environnement comme matériau magnétocalorique, qui se réchauffe lorsqu'un champ magnétique est appliqué et se refroidit lorsque le champ est supprimé. Kilian Bartholomé et son équipe ont développé et breveté un procédé spécial de transfert de la chaleur produite.
Le système de refroidissement de Bartholomé utilise la chaleur latente, c'est-à-dire l'énergie nécessaire à un liquide pour se transformer en vapeur. "Comme l'eau absorbe beaucoup d'énergie lorsqu'elle passe de l'état liquide à l'état gazeux, nous utilisons le processus d'évaporation pour transférer la chaleur, " dit le physicien. " C'est un moyen très efficace de transférer l'énergie thermique. "
En décidant d'utiliser le processus d'évaporation pour le transport de chaleur, Kilian Bartholomé et son collègue Jan König se sont inspirés des caloducs utilisés par ex. comme collecteurs de tuyaux dans les systèmes d'énergie solaire et pour le refroidissement des ordinateurs. Un caloduc est un conteneur sous vide, où une petite quantité de fluide a été enfermée. Si un côté du tuyau est chauffé, le fluide s'évapore sur ce côté chauffé et se condense à nouveau sur le côté froid. Des taux de transmission de chaleur très élevés sont atteints dans le processus.
Le caloduc magnétocalorique en cours de développement chez Fraunhofer IPM, cependant, est nettement plus complexe. Il se compose de nombreuses petites chambres contenant le matériau magnétocalorique. L'alliage a une structure finement poreuse afin qu'il puisse être pénétré de manière optimale par la vapeur d'eau. La méthode de production de l'alliage poreux est l'œuvre du Dr Sandra Wieland et du Dr Martin Dressler de l'Institut Fraunhofer pour la technologie de fabrication et les matériaux avancés IFAM.
Nouveau record du monde pour les systèmes de refroidissement magnétocaloriques
Afin d'augmenter encore plus l'efficacité, Bartholomé dispose les segments du caloduc dans un motif circulaire et place un aimant rotatif au milieu. On s'attend à ce que le démonstrateur génère 300 watts de puissance d'ici la fin de l'année. A titre de comparaison :le compresseur d'un réfrigérateur domestique produit de 50 à 100 watts de puissance. Le système actuel fonctionne déjà à une fréquence très élevée. Les chercheurs de Fribourg prévoient d'utiliser le démonstrateur pour battre un record mondial de systèmes de refroidissement magnétocaloriques en termes de fréquence du système. L'objectif à long terme est d'atteindre 50 pour cent du niveau d'efficacité maximum théorique. Les systèmes existants comparables atteignent environ 30 pour cent.
Les acteurs de l'industrie manifestent déjà un grand intérêt pour la recherche, par exemple Philipp Kirsch GmbH, qui fabrique des réfrigérateurs spéciaux pour les laboratoires médicaux, pharmacies et hôpitaux. La société allemande de longue date travaille avec Fraunhofer IPM dans un projet parrainé par le ministère fédéral allemand de l'économie et de la technologie (BMWi). "Nous voulons mettre sur le marché une unité à moins 86 degrés basée sur la magnétocalorique, " déclare le PDG Jochen Kopitzke. " La magnétocalorique a un très grand potentiel perturbateur et pourrait être capable de remplacer le refroidissement par compresseur à moyen terme. Nous voyons ici un marché clairement en développement que nous pouvons pénétrer."
Magnétocalorique—Le long chemin vers l'application
La magnétisation peut être utilisée pour chauffer des matériaux magnétocaloriques, cependant seulement dans une plage de température étroite qui est spécifique à chaque matériau. Lorsqu'un champ magnétique est appliqué à ces températures, les moments magnétiques s'orientent dans la direction du champ magnétique. Cela génère de l'énergie thermique, chauffer le matériau.
Le fer présente l'effet magnétocalorique à environ 750°C, et le nickel à environ 360°C. Il n'y a qu'un seul élément qui peut être chauffé par magnétocalorique à température ambiante :le gadolinium, un métal très rare et donc extrêmement cher.
Ce n'est qu'à la fin des années 1990 qu'ont été développés des alliages magnétocaloriques à température ambiante et pouvant être produits à moindre coût à l'échelle industrielle. L'un d'eux est l'alliage lanthane-fer-silicium utilisé par le groupe de travail de Fraunhofer IPM.
