Algún día podremos fabricar refrigeradores domésticos sin productos químicos ni refrigerantes industriales. La principal esperanza para esto proviene de una propiedad especial del metal y una peculiaridad de la entropía.

Todos jugábamos con imanes cuando éramos niños. los conocemos como aquellos que se adherían a grandes piezas de metal, o los usábamos para recoger pequeños objetos metálicos o para formar figuras con el polvo de grafito de un lápiz a través de una hoja de papel. Mientras hacíamos esto, inadvertidamente calentamos esos pedazos de metal, y no solo porque los sosteníamos en nuestras manos calientes. Los campos magnéticos realmente pueden hacer que los metales se calienten: Se llama efecto magneto-calórico. 

Cuando una pieza de metal esta en reposo, sola y sin influencia, sus electrones giran en cualquier dirección. Cuando se acerca un imán y el metal cae bajo la influencia de un campo magnético, los electrones alinean su giro para que estén todos en la misma dirección. Eso es una pérdida de entropía o, visto de otra manera, es una restricción impuesta al movimiento libre del electrón. La restricción no es total. Los electrones no pueden girar de la forma que deseen, pero pueden moverse de otras maneras. En este caso, la entropía aumenta al permitir que los átomos vibren un poco más violentamente. La vibración de los átomos se conoce más comúnmente como calor.

Aplica un campo magnético a una pieza de metal y se calentará. El efecto es moderado en la mayoría de los metales, pero algunos, como el gadolinio (Gd), realmente se calientan.

El gadolinio es un metal sólido de color blanco plateado. Se usa como componente en las varillas de control de los reactores nucleares, en mecanismos electrónicos, en aleaciones, en hornos de alta temperatura y en aparatos magnéticos para refrigeración. 

Esto suena como una buena manera de cocinar alimentos, no para enfriarlos, pero el efecto magneto-calórico funciona en ambos sentidos. Si una pieza de metal está bajo la influencia de un campo magnético, y el campo se retira, el metal se enfría.

La mayoría de los refrigeradores magnéticos que se usan actualmente en los laboratorios para enfriar objetos pequeños usan este método. Una sustancia, generalmente helio, se aplica al metal mientras el metal está bajo un campo magnético estable. La sustancia absorbe el calor sobrante, el metal se enfría y luego se quita el campo magnético, lo que hace que el metal sea especialmente frío, lo suficientemente frío como para usarse como unidad de enfriamiento.

Actualmente, se está trabajando para expandir aún más sus capacidades: Se está mejorando el proceso tecnológico de producción comercial de gadolinio puro y sus compuestos necesarios, lo que permitirá lograr un mayor valor de la refrigeración magnética a un costo menor.

Simultáneamente, el personal del Laboratorio Ames construyó un imán permanente, capaz de crear un campo magnético fuerte. El nuevo imán crea un campo dos veces más fuerte. Es muy importante porque la magnitud del campo magnético determina parámetros tales como la eficiencia y la potencia de salida del refrigerador. Se han presentado solicitudes de patente para la preparación de un compuesto para la sustancia de trabajo Gd5 (Si2Ge2) y la construcción de un imán permanente.

Está previsto que el enfriamiento magnético se pueda utilizar en diversos campos de la actividad humana, por ejemplo, en:

• Licuadoras de hidrógeno
• Dispositivos de enfriamiento para computadoras de alta velocidad
• Aires acondicionados residenciales e industriales
• Sistemas de enfriamiento para vehículos
• Refrigeradores domésticos e industriales

Cabe señalar que hasta ahora todos y desde hace 20 años, los desarrollos de refrigeradores magnéticos han sido financiadas por el Departamento de Energía de Estado Unidos Durante 20 años.

Ciclo de refrigeración magnética

Ventajas y desventajas de la refrigeración magnética

Todos los refrigeradores magnéticos se pueden dividir en dos clases según el tipo de imanes usados:

• Sistemas que utilizan imanes superconductores
• Sistemas en los imanes permanentes.

El primero de ellos tiene una amplia gama de temperaturas de funcionamiento y una potencia de salida relativamente alta. Se pueden usar, por ejemplo, en sistemas de aire acondicionado en las grandes instalaciones y para el equipo de almacenamiento de alimentos.

Los sistemas de enfriamiento de imanes permanentes tienen un rango de temperatura relativamente limitado (no más de 303 ° K por ciclo) y, en principio, se pueden usar en los dispositivos con una potencia promedio (hasta 100 Watts). Por ejemplo, un refrigerador de automóvil o un refrigerador portátil de picnic. Sin embargo, ambos tienen una serie de ventajas sobre los sistemas de refrigeración tradicionales de ciclo combinado:

Bajo riesgo ambiental

La unidad de trabajo es sólida y puede aislarse fácilmente del medio ambiente. Los metales utilizados como unidades de trabajo son de baja toxicidad y se pueden reutilizar después de desechar el dispositivo. El medio eliminador de calor debe tener solo una baja viscosidad y suficiente conductividad térmica, lo que corresponde bien a las propiedades del agua, helio o aire. Son completamente compatibles con el medio ambiente.

Alta eficiencia

El calentamiento y enfriamiento magneto-calórico son procesos termodinámicos prácticamente reversibles, en contraste con el proceso de compresión de vapor en el ciclo de trabajo de un refrigerador de ciclo combinado. Los cálculos teóricos y los estudios experimentales muestran que las unidades de enfriamiento magnético se caracterizan por una mayor eficiencia y, en particular, en el campo de la temperatura ambiente, los refrigeradores magnéticos son potencialmente un 20-30% más efectivos que los que funcionan en el ciclo de vapor de gas. La tecnología de enfriamiento magnético en el futuro puede ser muy efectiva, lo que reducirá significativamente el costo de tales instalaciones.

Larga vida útil

La tecnología implica el uso de una pequeña cantidad de partes móviles y pocas frecuencias de operación en los dispositivos de enfriamiento, lo que reduce significativamente su desgaste.

La flexibilidad de la tecnología

Es posible utilizar los diferentes diseños de refrigeradores magnéticos según el propósito.

Propiedades útiles de congelación

La tecnología magnética permite enfriar y congelar diversas sustancias (agua, aire, productos químicos) con cambios menores en cada caso. En contraste, un ciclo eficiente de enfriamiento de ciclo combinado requiere muchas etapas segregadas o una mezcla de diferentes refrigerantes de trabajo para el mismo procedimiento.

Progreso y mejora acelerados

El progreso rápido en el desarrollo de la superconductividad y la mejora de las propiedades magnéticas de los imanes permanentes son muy prometedoras. Actualmente, un gran número de compañías comerciales se dedican con éxito a mejorar las propiedades de los imanes NdFeB (los imanes permanentes más eficientes) y están trabajando en sus construcciones. Junto con el progreso en el campo de la superconductividad, permite esperar una mejora en la calidad de los refrigeradores magnéticos y su abaratamiento.

Desventajas del enfriamiento magnético 

• Necesidad de blindaje de una fuente magnética
• Relativamente alto precio actual de las fuentes de campo magnético
• Rango de temperatura limitado en un ciclo de enfriamiento en los sistemas de imanes permanentes

Conclusión

La refrigeración magnética ha existido durante mucho tiempo, pero el uso doméstico sigue siendo un sueño a largo plazo. El hecho de que un sistema de enfriamiento magneto-calórico parezca eficiente, silencioso y requiera menos refrigerantes químicos los hacen una realidad cada vez más viable para un mercado de consumo masivo.