Refrigerazione magnetica

La sensibilizzazione verso le problematiche ambientali del nostro pianeta ha portato alla messa al bando di alcune sostanze ritenute dannose. Tra queste i clorofluorocarburi, ovvero gas utilizzati in molte applicazioni, tra cui quella che ci coinvolgeva quotidianamente: il loro utilizzo negli impianti  frigoriferi. Sono quindi partite ricerche volte alla loro sostituzione non solo per salvaguardare l’ambiente, ma anche per eliminare elementi meccanici, quali il compressore.

Presso il laboratorio di Tecnica del freddo della Facoltà di ingegneria dell’Università degli Studi di Salerno si stanno conducendo ricerche per verificare la possibilità di produrre acqua refrigerata per impianti di condizionamento dell’aria attraverso la refrigerazione magnetica.
Le sostanze magnetiche hanno una proprietà intrinseca chiamata effetto magnetocalorico (MCE).
L’MCE fu spiegato indipendentemente da Debye (1926) e Giaque (1927), i quali proposero l’uso pratico dell’effetto per raggiungere temperature molto basse nel processo noto come demagnetizzazione adiabatica. L’MCE è un processo magneto-termodinamico nel quale il cambiamento del campo magnetico produce una variazione reversibile di temperatura di un opportuno materiale. Quando il campo magnetico diminuisce, i domini magnetici del materiale magnetocalorico assumono un’orientazione casuale rispetto al campo magnetico, a causa della temperatura. In condizioni di isolamento, e quindi nel caso in cui il materiale non possa interagire con l’ambiente esterno (non può scambiare energia: processo adiabatico), i domini magnetici per riorientarsi assorbono energia termica e quindi la temperatura scende. Si parla di una variazione della parte magnetica dell’entropia del materiale in conseguenza dell’accoppiamento dei sottoreticoli magnetici con il campo applicato.

Come nella compressione di un gas, nel processo di magnetizzazione isoterma di un ferromagnete si riduce l’entropia, mentre con la successiva demagnetizzazione (simile all’espansione del gas) si ripristina il valore dell’entropia a campo magnetico zero.
In un refrigeratore magnetico si può pensare a due cilindri contenenti gadolinio, ad esempio. Vengono applicati due campi magnetici: uno alto (magnetizzazione) e uno basso (demagnetizzazione), ove passano i due cilindri alternativamente. All’interno del campo magnetico alto la temperatura del materiale aumenta. Grazie ad un circuito ad acqua, il calore emesso da questo materiale viene assorbito, ovvero il circuito funge da sistema di refrigerazione. Gli additivi aggiunti all’acqua consentono di scendere al di sotto di 0 °C.

L’effetto magnetocalorico aumenta con l’aumentare dell’intensità del campo magnetico, quindi sono richiesti campi magnetici elevati.
Materiali magnetici con elevato MCE potrebbero essere impiegati come refrigeranti solidi in impianti frigoriferi, con notevoli vantaggi rispetto alla tradizionale refrigerazione basata sul ciclo di compressione-espansione di gas:
1) impatto ambientale nullo, in quanto assenti i gas refrigeranti CFC, HCFC e HFC;
2) maggior efficienza energetica, dovuta all’alta reversibilità dell’effetto magnetocalorico e all’assenza di compressori e valvole di laminazione;
3) l’assenza del compressore implica anche un minor impatto acustico e un risparmio energetico;
4) maggior densità di energia, ovvero compattezza della macchina utilizzando un solido e non un gas.
Non ultimo vantaggio da sottolineare è la creazione di un nuovo mercato e quindi di nuove aziende operanti nel campo della ricerca sulla refrigerazione magnetica.

Articolo dell’Ing. Roberta Lazzari
Fonti:
www.centrogalileo.it
www.cnr.it
www.wikipedia.it
energy days – magazine (marzo 2009)


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