Anneau rotatif (au centre), d’un diamètre à peu près égal à celui d’un disque compact, fait entrer et sortir du matériau magnétique en poudre dans un espace situé dans le puissant aimant à l’arrière.

Le concept de réfrigérateurs magnétiques n’est pas nouveau, mais à ce jour, des progrès significatifs ont été entravés par la nécessité de champs magnétiques extrêmement puissants. Au cours des dernières années, les scientifiques de deux sociétés distinctes ont apporté des améliorations significatives aux matériaux magnétocaloriques utilisés et les incorporent dans des prototypes fonctionnels adaptés à un usage quotidien, selon les orateurs de la réunion de mars de l’APS à Austin, au Texas.

Les réfrigérateurs conventionnels fonctionnent en comprimant et en dilatant un gaz lorsqu’il circule autour de l’unité de refroidissement, mais ce processus n’est pas particulièrement efficace. La réfrigération représente actuellement 25% de la consommation d’énergie résidentielle et 15% de la consommation commerciale aux États-Unis Dans le passé, elle a également utilisé des gaz nocifs pour l’environnement.

En revanche, les dispositifs de réfrigération magnétique ont un rendement élevé, même à petite échelle, ce qui permet le développement de produits portables alimentés par batterie. En fait, Stephen Russek, de Aeronautics Corporation, estime que lorsque les réfrigérateurs magnétiques seront complètement développés, ils pourraient réduire la consommation d’énergie d’environ 10 milliards de dollars par an, ainsi que des réductions importantes des émissions de dioxyde de carbone. De plus, la réfrigération magnétique n’utilise pas de gaz qui appauvrissent la couche d’ozone ou qui réchauffent la planète.

La technologie habilitante est basée sur l’effet magnétocalorique, observé pour la première fois en 1881: un matériau magnétocalorique efficace se réchauffe lorsqu’il est placé dans un champ magnétique et se refroidit de manière réversible lorsqu’il est retiré du champ magnétique.

Le premier réfrigérateur magnétique a été démontré en 1933, et la réfrigération magnétique a été utilisée dans de nombreux laboratoires pour refroidir à un millième de degré au-dessus du zéro absolu. Le laboratoire Ames s’est impliqué en 1991, selon le métallurgiste Karl Gschneider Jr., lorsque l’aéronautique a demandé à son groupe de concevoir des réfrigérants magnétiques moins coûteux pour la liquéfaction de l’hydrogène. Ils ont produit des matériaux 10% à 30% plus efficaces que ceux utilisés à l’époque, et sur la base de ces travaux, Aeronautics a présenté un prototype d’unité en novembre 1996.

Une deuxième percée a eu lieu en 1997, lorsque les scientifiques du laboratoire Ames ont découvert que l’effet aimant-ocalorique géant dans les alliages de gadolinium-silicium-germanium était deux à 10 fois plus important que dans les réfrigérants prototypes existants. Ces alliages améliorent l’efficacité des réfrigérateurs magnétiques à grande échelle, mais ouvrent également la porte à de nouvelles applications à petite échelle, telles que la climatisation domestique et automobile.

Cependant, au départ, le procédé utilisait du gadolinium de haute pureté plus coûteux et aboutissait à de petites quantités de moins de 50 grammes d’alliages Gd-Si-Ge. Gschneider et ses cohortes ont mis au point un nouveau procédé pour produire des quantités de kilogrammes de l’alliage en utilisant du gadolinium de qualité commerciale peu coûteux, obtenant presque le même effet magnétocalorique que la découverte originale. Pendant ce temps, d’autres chercheurs du laboratoire Ames ont conçu une configuration à aimants permanents capable de produire un champ magnétique plus fort, une avancée importante car la sortie et l’efficacité de l’appareil sont proportionnelles à la force du champ magnétique.

S’appuyant sur sa précédente démonstration d’un dispositif à aimant supraconducteur à température ambiante, Aeronautics Corporation a maintenant présenté le premier réfrigérateur magnétique rotatif à aimant permanent à température ambiante. La conception rotative se compose d’une roue contenant du gadolinium et d’un aimant permanent puissant. La roue traverse un espace dans l’aimant où le champ magnétique estconcentré, et le gadolinium se réchauffe. Lorsqu’il est encore sur le terrain, de l’eau circule pour extraire la chaleur du matériau et la rejeter à travers l’échangeur de chaleur chaud. Lorsque le matériau quitte le champ magnétique, il se refroidit davantage. Pendant que le matériau est hors du champ, un courant d’eau est refroidi par le matériau et circule dans l’échangeur de chaleur froid du réfrigérateur, éliminant ainsi la chaleur de l’objet à refroidir.

L’aéronautique n’est pas la seule entreprise engagée dans le développement de la réfrigération magnétique. Des scientifiques de la société japonaise Chubu Electric, en coopération avec Toshiba Corporation, ont également réussi à développer un réfrigérateur magnétique rotatif à aimants permanents.

Le schéma de conception est similaire à celui de l’Aéronautique, avec une augmentation de la capacité de refroidissement d’un facteur 1,5 et une diminution de 1/3 de la puissance motrice. L’appareil de Chubu est également environ un vingtième de la taille des réfrigérateurs prototypes antérieurs utilisant des aimants supraconducteurs. Les applications commerciales potentielles de tels réfrigérateurs comprennent la climatisation, la conservation des aliments, la déshumidification de l’air et la distribution de boissons.

Cependant, Russek dit que les premières applications les plus probables seront de nature industrielle: refroidissement des fluides de traitement pour la production alimentaire, chimique, gaz industriels et pharmaceutique, ainsi que le transport et le refroidissement réfrigérés de l’électronique. « Nous croyons fermement que cela pourrait être une nouvelle entreprise mondiale », dit-il.