Plus tard au cours de ce siècle, vers 2060, un changement de paradigme dans la consommation énergétique mondiale est attendu :nous dépenserons plus d'énergie pour le refroidissement que pour le chauffage. Pendant ce temps, la pénétration croissante des applications de refroidissement dans notre vie quotidienne entraîne une empreinte écologique en croissance rapide. De nouveaux procédés de réfrigération tels que le refroidissement magnétique pourraient limiter l'impact qui en résulte sur le climat et l'environnement. Des chercheurs du Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) et de la Technische Universität Darmstadt se sont penchés de plus près sur les matériaux les plus prometteurs d'aujourd'hui. Le résultat de leur travail est la première bibliothèque de matériaux magnétocaloriques systématique avec toutes les données de propriétés pertinentes, qu'ils ont publié maintenant dans la revue Matériaux énergétiques avancés .

Le refroidissement artificiel utilisant la compression de gaz conventionnelle existe dans les applications domestiques commerciales depuis environ cent ans. Cependant, la technologie a à peine changé pendant cette période. Les experts estiment qu'environ un milliard de réfrigérateurs basés sur cette technologie sont aujourd'hui utilisés dans le monde, en nombre toujours croissant. « La technologie de refroidissement est désormais considérée comme le plus gros consommateur d'énergie dans nos quatre murs. Le potentiel de pollution de l'environnement causé par les liquides de refroidissement typiques est tout aussi problématique, " Le Dr Tino Gottschall du laboratoire de Dresde High Magnetic Field du HZDR décrit la motivation de ses recherches.

L'« effet magnétocalorique, " qui pourrait devenir le cœur des futures technologies de refroidissement, est un processus où certains éléments et alliages changent soudainement de température lorsqu'ils sont exposés à un champ magnétique. Il existe toute une série de telles substances magnétocaloriques déjà connues par la recherche. "Mais s'ils conviennent aux applications domestiques et industrielles à grande échelle, c'est une toute autre question, " ajoute le professeur Oliver Gutfleisch de l'Institut des sciences des matériaux de la Technische Universität Darmstadt.

Base de données de substances pour les matériaux de refroidissement

Les scientifiques recueillaient des données sur les propriétés des substances pour clarifier ces problèmes. Cependant, ils ont rapidement rencontré des difficultés. "Nous avons été particulièrement surpris que seuls quelques résultats de mesures directes puissent être trouvés dans la littérature spécialisée, " rapporte Gottschall. " Dans la plupart des cas, ces paramètres ont été indirectement dérivés des données de magnétisation observées. Nous avons constaté que ni les conditions de mesure, tels que la force et le profil du champ magnétique appliqué, ni les régimes de mesure, sont comparables. Par conséquent, les résultats ne correspondent pas."

Pour dissiper les incohérences dans les paramètres de matériau précédemment publiés, les scientifiques ont conçu un programme de mesure élaboré, qui couvre tout le spectre des matériaux magnétocaloriques actuellement les plus prometteurs et leurs propriétés matérielles pertinentes. En couplant des mesures de haute précision avec des considérations thermodynamiques, les chercheurs de Darmstadt et de Dresde ont pu générer des ensembles de données de matériaux cohérents. Les scientifiques présentent maintenant cette solide base de données qui peut faciliter la sélection de matériaux appropriés pour diverses applications de refroidissement magnétique.

Quels matériaux peuvent prendre du gadolinium ?

L'aptitude d'un matériau à des fins de refroidissement magnétique est finalement déterminée par divers paramètres. Il nécessite la combinaison appropriée des propriétés des matériaux pour concurrencer les technologies de refroidissement bien établies. Pour décrire les propriétés les plus importantes des matériaux de refroidissement de demain, Gottschall déclare :« Le changement de température atteint à température ambiante doit être important, et autant de chaleur que possible doit être dissipée en même temps."

Pour saisir les futures demandes de masse, ces substances ne doivent pas posséder de caractéristiques nocives, tant en termes d'environnement que de santé. "En outre, ils ne doivent pas être constitués de matières premières classées comme critiques en raison des risques d'approvisionnement et difficiles en termes de remplacement dans les applications technologiques, " explique Gutfleisch. " Dans l'évaluation globale des processus technologiques, cet aspect est souvent négligé. Une simple focalisation sur les propriétés physiques n'est plus suffisante aujourd'hui. A cet égard, le refroidissement magnétique est également un excellent exemple des défis fondamentaux qui accompagnent la transition énergétique actuelle, ce qui ne sera pas possible sans un accès durable à des matériaux adaptés."

A température ambiante, le premier étalon magnétocalorique est toujours en gadolinium. Si l'élément de terre rare est placé dans un champ magnétique de 1 Tesla, les scientifiques mesurent un changement de température de près de 3 degrés Celsius. En gardant à l'esprit la viabilité économique des futurs dispositifs de refroidissement magnétique, la génération de telles intensités de champ reposera très probablement sur des aimants permanents commerciaux.

Des matériaux adaptés :un regard vers l'avenir

Malgré ses propriétés exceptionnelles, les perspectives d'utilisation du gadolinium dans les appareils de refroidissement domestiques sont plutôt irréalistes. L'élément est l'un de ces métaux des terres rares qui sont classés comme critiques lorsqu'il s'agit d'une sécurité, approvisionnement à long terme. Étant donné une conception égale, les échangeurs de chaleur en alliages fer-rhodium pourraient dissiper des quantités encore plus importantes de chaleur par cycle de refroidissement. Néanmoins, le rhodium, métal du groupe du platine, figure également dans la liste des matières premières distinguées par la Commission européenne en raison d'une criticité élevée.

Les chercheurs ont cependant trouvé des matériaux candidats qui sont facilement disponibles dans un proche avenir et, à la fois, avec des performances prometteuses. Composés intermétalliques constitués des éléments lanthane, fer à repasser, manganèse et silicium, par exemple, dans lequel l'hydrogène est stocké dans le réseau cristallin, peut même surpasser le gadolinium en termes de chaleur qui pourrait être transférée hors du compartiment réfrigérateur.

D'autres pourraient emboîter le pas :les chercheurs du HZDR et de la TU Darmstadt travaillent dur pour élargir la gamme des matériaux de refroidissement magnétiques. En étroite collaboration, les scientifiques des deux institutions préparent une nouvelle série d'expériences sur les propriétés des substances magnétocaloriques. Au Laboratoire des champs magnétiques élevés de Dresde par exemple, ils sont appelés à étudier le comportement de ces substances dans des champs magnétiques pulsés intenses. L'objectif plus large de la recherche future se situe sur la réponse d'un matériau donné à l'impact simultané de différents stimuli comme les champs magnétiques, déformation et température, ainsi que la construction de démonstrateurs efficaces.