Anillo giratorio (centro), aproximadamente del diámetro de un disco compacto, ciclos de material magnético en polvo dentro y fuera de un espacio en el poderoso imán en la parte trasera.

El concepto de refrigeradores magnéticos no es nuevo, pero hasta la fecha, el progreso significativo se ha visto obstaculizado por la necesidad de campos magnéticos extremadamente fuertes. En los últimos años, científicos de dos compañías distintas han hecho mejoras significativas a los materiales magnetocalóricos que se utilizan y los están incorporando en prototipos de trabajo adecuados para el uso diario, según los oradores en la Reunión de marzo de APS en Austin, Texas.

Los refrigeradores convencionales funcionan comprimiendo y expandiendo un gas a medida que fluye alrededor de la unidad de refrigeración, pero este proceso no es especialmente eficiente. La refrigeración representa actualmente el 25% del consumo de energía residencial y el 15% del consumo de energía comercial en los Estados Unidos.En el pasado, también ha utilizado gases nocivos para el medio ambiente.

En contraste, los dispositivos magnéticos de refrigeración tienen una alta eficiencia incluso a pequeña escala, lo que permite el desarrollo de productos portátiles que funcionan con baterías. De hecho, Stephen Russek de Aeronautics Corporation, estima que cuando los refrigeradores magnéticos estén completamente desarrollados, podrían reducir el uso de energía en aproximadamente 1 10 mil millones por año, junto con reducciones significativas en las emisiones de dióxido de carbono. Además, la refrigeración magnética no utiliza gases que agotan la capa de ozono o que calientan el planeta.

La tecnología habilitadora se basa en el efecto magnetocalórico, observado por primera vez en 1881: un material magnetocalórico eficiente se calienta cuando se coloca en un campo magnético y se enfría reversiblemente cuando se retira del campo magnético.

El primer refrigerador magnético se demostró en 1933, y la refrigeración magnética se ha utilizado en muchos laboratorios para enfriarse a una milésima de grado por encima del cero absoluto. El Laboratorio Ames se involucró en 1991, según el metalúrgico senior Karl Gschneider, Jr., cuando Aeronáutica le pidió a su grupo que diseñara refrigerantes magnéticos menos costosos para la licuefacción de hidrógeno. Produjeron materiales que eran entre un 10% y un 30% más eficientes que los que estaban en uso, y sobre la base de este trabajo, Aeronautics demostró una unidad prototipo en noviembre de 1996.

Un segundo avance se produjo en 1997, cuando los científicos del Laboratorio Ames descubrieron que el efecto imán – ocalórico gigante en las aleaciones de gadolinio, silicio y germanio era de dos a 10 veces mayor que en los refrigerantes prototipo existentes. Estas aleaciones mejoran la eficiencia de los refrigeradores magnéticos a gran escala, pero también abren la puerta a nuevas aplicaciones a pequeña escala, como el aire acondicionado doméstico y automotriz.

Sin embargo, inicialmente el proceso utilizó gadolinio de alta pureza más caro y resultó en pequeñas cantidades de menos de 50 gramos de las aleaciones Gd-Si-Ge. Gschneider y sus cohortes desarrollaron un nuevo proceso para producir cantidades de kilogramos de la aleación utilizando gadolinio de calidad comercial de bajo costo, logrando casi el mismo efecto magnetocalórico que el descubrimiento original. Mientras tanto, otros investigadores de Ames Lab han diseñado una configuración de imán permanente capaz de producir un campo magnético más fuerte, un avance importante ya que la salida y la eficiencia del dispositivo son proporcionales a la fuerza del campo magnético.

Basándose en su demostración anterior de un dispositivo a base de imanes superconductores a temperatura ambiente, Aeronautics Corporation ha demostrado ahora el primer refrigerador magnético rotativo a base de imanes permanentes a temperatura ambiente. El diseño giratorio consiste en una rueda que contiene gadolinio y un potente imán permanente. La rueda pasa a través de un hueco en el imán donde se concentra el campo magnético, y el gadolinio se calienta. Mientras aún está en el campo, el agua circula para extraer el calor del material y rechazar el calor a través del intercambiador de calor caliente. A medida que el material sale del campo magnético, se enfría aún más. Mientras el material está fuera del campo, el material enfría una corriente de agua que circula a través del intercambiador de calor frío del refrigerador, eliminando el calor del objeto a enfriar.

Aeronautics no es la única empresa comprometida con el desarrollo de la refrigeración magnética. Los científicos de Chubu Electric de Japón, en cooperación con Toshiba Corporation, también han logrado desarrollar un refrigerador magnético giratorio con imanes permanentes.

El esquema de diseño es similar al de la Aeronáutica, con un aumento en la capacidad de refrigeración por un factor de 1,5 y una disminución de 1/3 en la potencia de conducción. El dispositivo de Chubu también tiene aproximadamente una vigésima parte del tamaño de los refrigeradores prototipo anteriores que empleaban imanes superconductores. Las posibles aplicaciones comerciales de estos refrigeradores incluyen aire acondicionado, conservación de alimentos, deshumidificación del aire y dispensación de bebidas.

Sin embargo, Russek dice que las primeras aplicaciones más probables serán de naturaleza industrial: refrigeración de fluidos de proceso para alimentos, productos químicos, gases industriales y producción farmacéutica, así como transporte refrigerado y refrigeración de productos electrónicos. «Creemos firmemente que este podría ser un gran nuevo negocio global», dice.