Anello rotante (centro), circa il diametro di un compact disk, cicli in polvere materiale magnetico dentro e fuori di un gap nel potente magnete sul retro.

Il concetto di frigoriferi magnetici non è nuovo, ma fino ad oggi, progressi significativi sono stati ostacolati dalla necessità di campi magnetici estremamente forti. Negli ultimi anni, gli scienziati di due società separate hanno apportato miglioramenti significativi ai materiali magnetocalorici utilizzati e li stanno incorporando in prototipi funzionanti adatti all’uso quotidiano, secondo i relatori alla riunione di marzo APS ad Austin, in Texas.

I frigoriferi convenzionali funzionano comprimendo ed espandendo un gas mentre scorre attorno all’unità di raffreddamento, ma questo processo non è particolarmente efficiente. Refrigerazione rappresenta attualmente il 25% del residenziale e il 15% del consumo di energia commerciale negli Stati Uniti In passato ha utilizzato anche gas nocivi per l’ambiente.

Al contrario, i dispositivi di refrigerazione magnetici hanno un’elevata efficienza anche su piccola scala, consentendo lo sviluppo di prodotti portatili alimentati a batteria. In effetti, Stephen Russek di Aeronautics Corporation, stima che quando i frigoriferi magnetici sono completamente sviluppati, potrebbero ridurre il consumo di energia di circa billion 10 miliardi all’anno, insieme a significative riduzioni delle emissioni di anidride carbonica. Inoltre, la refrigerazione magnetica non utilizza gas che riducono l’ozono o il riscaldamento globale.

La tecnologia abilitante si basa sull’effetto magnetocalorico, osservato per la prima volta nel 1881: un materiale magnetocalorico efficiente si scalda quando viene posto in un campo magnetico e si raffredda reversibilmente quando viene rimosso dal campo magnetico.

Il primo frigorifero magnetico è stato dimostrato nel 1933 e la refrigerazione magnetica è stata utilizzata in molti laboratori per raffreddare entro un millesimo di grado sopra lo zero assoluto. Il laboratorio Ames è stato coinvolto nel 1991, secondo il metallurgista senior Karl Gschneider, Jr., quando l’Aeronautica ha chiesto al suo gruppo di progettare refrigeranti magnetici meno costosi per la liquefazione dell’idrogeno. Hanno prodotto materiali che erano dal 10% al 30% più efficienti di quelli allora in uso, e sulla base di questo lavoro, l’Aeronautica ha dimostrato un’unità prototipo nel novembre 1996.

Una seconda svolta si è verificata nel 1997, quando gli scienziati di Ames Lab hanno scoperto che l’effetto magnete – ocalorico gigante nelle leghe gadolinio-silicio-germanio era da due a 10 volte più grande rispetto ai refrigeranti prototipo esistenti. Queste leghe migliorano l’efficienza dei frigoriferi magnetici su larga scala, ma aprono anche la porta a nuove applicazioni su piccola scala, come l’aria condizionata domestica e automobilistica.

Tuttavia, inizialmente il processo utilizzava gadolinio ad alta purezza più costoso e risultava in piccole quantità inferiori a 50 grammi di leghe Gd-Si-Ge. Gschneider e le sue coorti hanno sviluppato un nuovo processo per la produzione di quantità di chilogrammo della lega utilizzando gadolinio commerciale economico, ottenendo quasi lo stesso effetto magnetocalorico della scoperta originale. Nel frattempo, altri ricercatori di Ames Lab hanno progettato una configurazione a magneti permanenti in grado di produrre un campo magnetico più forte, un importante progresso poiché l’uscita e l’efficienza del dispositivo sono proporzionali alla forza del campo magnetico.

Basandosi sulla sua precedente dimostrazione di un dispositivo basato su magneti superconduttori a temperatura ambiente, Aeronautics Corporation ha ora dimostrato il primo frigorifero magnetico rotante a temperatura ambiente a magneti permanenti. Il design rotante è costituito da una ruota contenente gadolinio e un forte magnete permanente. La ruota passa attraverso uno spazio nel magnete dove il campo magnetico èconcentrato e il gadolinio si riscalda. Mentre ancora nel campo, l’acqua è fatta circolare per estrarre il calore dal materiale e respingere il calore attraverso lo scambiatore di calore caldo. Quando il materiale lascia il campo magnetico, si raffredda ulteriormente. Mentre il materiale è fuori dal campo, un flusso d’acqua viene raffreddato dal materiale e fatto circolare attraverso lo scambiatore di calore freddo del frigorifero, rimuovendo il calore dall’oggetto da raffreddare.

L’aeronautica non è l’unica azienda impegnata nello sviluppo della refrigerazione magnetica. Gli scienziati della giapponese Chubu Electric, in collaborazione con Toshiba Corporation, sono anche riusciti a sviluppare un frigorifero magnetico rotante con magneti permanenti.

Lo schema di progettazione è simile a quello dell’Aeronautica, con un aumento della capacità di raffreddamento di un fattore di 1,5 e una diminuzione di 1/3 della potenza di guida. Il dispositivo di Chubu è anche circa un ventesimo delle dimensioni dei precedenti prototipi di frigoriferi che impiegano magneti superconduttori. Le potenziali applicazioni commerciali di tali frigoriferi includono l’aria condizionata, la conservazione degli alimenti, la deumidificazione dell’aria e l’erogazione di bevande.

Tuttavia, Russek afferma che le prime applicazioni più probabili saranno di natura industriale: refrigerazione di fluidi di processo per alimenti, prodotti chimici, gas industriali e produzione farmaceutica, nonché trasporto refrigerato e raffreddamento di elettronica. “Crediamo fermamente che questo potrebbe essere un nuovo grande business globale”, afferma.