Des chercheurs du laboratoire Ames du département de l'Énergie des États-Unis ont conçu et construit un système modèle avancé qui utilise avec succès de très petites quantités de matériaux magnétocaloriques pour obtenir un refroidissement au niveau de la réfrigération. Le développement marque une étape importante dans la création de nouvelles technologies pour remplacer la réfrigération à compression de gaz vieille de 100 ans par des systèmes à semi-conducteurs jusqu'à 30 % plus écoénergétiques.

Appelé CaloriSMART—Small Modular Advanced Research-scale Test-Station—le système a été conçu spécifiquement pour l'évaluation rapide des matériaux dans les régénérateurs sans un investissement important en temps ou en fabrication. Le test initial a soumis un échantillon de gadolinium à des champs magnétiques séquentiels, provoquant l'alternance entre le chauffage et le refroidissement de l'échantillon. En utilisant des pompes chronométrées avec précision pour faire circuler l'eau pendant ces cycles de chauffage et de refroidissement, le système a démontré une puissance de refroidissement soutenue d'environ 10 watts, avec un gradient de 15 degrés Celsius (un peu moins de 30 ° F) entre les extrémités chaudes et froides en utilisant seulement environ trois centimètres cubes de gadolinium.

« Malgré les prévisions, nous échouerions à cause des inefficacités et des pertes anticipées, nous avons toujours cru que cela fonctionnerait, " a déclaré Vitalij Pecharsky, directeur du projet CaloriCool et scientifique du laboratoire Ames, "Mais nous avons été agréablement surpris par son bon fonctionnement. C'est un système remarquable et il fonctionne exceptionnellement bien. La réfrigération magnétique proche de la température ambiante fait l'objet de nombreuses recherches depuis 20 ans, mais c'est l'un des meilleurs systèmes qui a été développé."

Pecharsky a crédité la scientifique du projet Julie Slaughter et son équipe pour la conception du système qui a pris environ cinq mois à construire. Les capacités d'impression 3D ont été utilisées pour construire sur mesure le collecteur qui contient l'échantillon et fait circuler le fluide qui exploite réellement la puissance de refroidissement du système. Le système comprend également des aimants néodyme-fer-bore personnalisés qui fournissent un champ magnétique concentré de 1,4 Tesla à l'échantillon, et le système de pompage en ligne de précision qui fait circuler le fluide.

"Nous n'avons besoin que de 2 à 5 centimètres cubes d'échantillon, dans la plupart des cas environ 15 à 25 grammes, " Slaughter a déclaré. "Nous établissons la référence avec le gadolinium et nous savons qu'il existe d'autres matériaux qui seront encore plus performants. Et notre système devrait être évolutif (pour le refroidissement commercial) à l'avenir."

"Mais la principale raison pour laquelle nous avons conçu et construit CaloriSMART est d'accélérer la conception et le développement de matériaux caloriques afin qu'ils puissent être déplacés dans l'espace de fabrication au moins deux à trois fois plus rapidement par rapport aux 20 années environ qu'il faut généralement aujourd'hui, " ajouta Pécharski, qui est également Anston Marston Distinguished Professor au département des sciences et de l'ingénierie des matériaux de l'Iowa State University.

Le test magnétocalorique n'est qu'un début. Le plan est de mettre à niveau le système pour qu'il fonctionne avec des matériaux élastocaloriques - qui chauffent et refroidissent de manière réversible lorsqu'ils sont soumis à une tension ou à une compression cyclique - et des matériaux électrocaloriques - qui font le

Le collecteur imprimé en 3D contenant un échantillon de gadolinium. même lorsqu'il est soumis à un champ électrique changeant. Le système fonctionnera même en mode champ combiné qui permet d'utiliser simultanément une combinaison de techniques.

"Il y a une poignée d'endroits qui étudient les matériaux élastocaloriques et électrocaloriques, "Pecharsky a dit, "mais personne n'a les trois au même endroit et notre système nous donne maintenant cette capacité."