Begrebet køleskabsmagneter får en helt anden betydning, når forskerne på DTU Energikonvertering har dem i hænderne. Ved hjælp af kraftige magneter er det nemlig muligt at sænke temperaturen fra stuetemperatur til vintergrader.
»Det, vi har gjort, som de første i verden, er at sænke temperaturen med 20,5 grader, samtidig med at man køler 100 watt. Når du kommer hjem med dine varer fra Bilka og lægger dem ind i køleskabet, er de jo varmere end køleskabet, og derfor kræver det en effekt at køle dem ned. Det har ingen andre forskningsgrupper, der arbejder med magnetisk køling, været i stand til.«
Det fortæller Christian Bahl, seniorforsker på DTU Energikonvertering. Han er en af de forskere, der står bag det såkaldte MagCool – en af Det Strategiske Forskningsråds satsninger.
Magnetiske køleskabe sparer energi
De køleskabe, der står i de fleste danske hjem, bruger meget mindre energi end tidligere. Men det er stadig en af de maskiner i boligen, supermarkedet og restauranten, der sluger mest strøm.
\ Fakta
Slut med brummen Ud over at et magnetisk køleskab kan spare energi og undgå de stadig problematiske drivhusgasser, der benyttes i kompressorbaseret køling, er en yderligere fordel ved teknologien, at den er lydsvag. Slut med brummende køleskabe, fordi kompressoren er på overarbejde.
Det, der bruges som køleeffekt i traditionelle køleskabe, er gas, som skal sættes under tryk. Det koster elektricitet, og selvom de seneste 10-15 års udvikling har betydet mere energieffektive kompressorer, så er det begrænset, hvor meget længere ned de kan gå i strømforbrug.
Her kan magnetisk køling være den teknologi, der gør det muligt. Magneternes effekt er reversibel – det betyder, at der kun skal tilføres et minimum af energi, da magneterne ikke taber energi undervejs og dermed skaber køleeffekten af sig selv. Der skal dog stadig bruges lidt energi til bl.a. at pumpe kølevand rundt i systemet.
Forskerne vurderer, at der kan spares minimum 30-40 procent af strømforbruget ved at gå over til magnetisk køling.
Teknologien betyder samtidig, at det er muligt at undgå de drivhusgasser, som stadig bruges i mange køleskabe.
Sådan virker magnetisk køling
Magnetisk køling benytter sig af to komponenter:
-
En permanent magnet med et kraftigt magnetfelt – den, de fleste kender, som den hesteskoformede magnet der kan samle nåle op.
- Magnetokalorisk materiale, som er materiale, der ikke er magnetisk i sig selv, men som bliver det, når det påvirkes af den permanente magnet.
Atomerne i et magnetokalorisk materiale er ordnet i en fast struktur, et krystalgitter.
Atomerne opfører sig ligesom minimagneter, der peger i vilkårlig retning. Når man påvirker materialet med et kraftigt magnetfelt, vil minimagneterne orientere sig mod kraftfeltet. Det bevirker, at gitteret sættes i svingninger, og aktiviteten får temperaturen til at stige.
Når magnetfeltet fjernes, vender atomerne tilbage til deres oprindelige orienteringer, og materialet køles ned igen. Det kaldes den magnetokaloriske effekt.
Magnetisk køling i fire trin
\ Fakta
DTU’s kølemaskine har to magneter med en cylinder af magnetiserbart materiale (gadolinium) imellem sig. Cylinderen magnetiseres og afmagnetiseres ved at rotere mellem de to magneter. Hver gang der roteres, sker en køleeffekt. Forskerne arbejder på at optimere systemet ved at teste hastigheder, materialer og formgivning af magneten, så dens magnetfelt bliver så stærkt som muligt, samtidig med at der anvendes så lidt materiale som muligt.
I MagCool-projektet er designet og konstrueret en maskine, der udnytter og optimerer denne effekt. Fire trin gentages cyklisk op til ti gange i sekundet.
-
Det magnetokaloriske materiale føres forbi et kraftigt magnetfelt og bliver dermed varmt.
-
Varmen fjernes ved, at der løber kølevæske (f.eks. vand) forbi materialet. Vandet optager varmen, og materialet er nu koldt.
-
Materialet føres nu ud af magnetfeltet og bliver afmagnetiseret. Fordi det allerede er koldt, falder temperaturen endnu mere end i udgangspunktet.
- Varm kølevæske føres nu forbi det nu kolde materiale, og væsken bliver afkølet og kan føres ind i køleskabet. Materialet bliver til gengæld varmet op, og er tilbage til samme tilstand som i udgangspunktet. Processen kan starte forfra.
At finde det rette materiale
Nogle magnetokaloriske materialer har større varme/køleeffekt end andre. Og nogle virker bedst ved 100 grader, mens andre fungerer bedst i kulde.
Forskerne har derfor haft brug for at finde materiale, der havde den bedste effekt ved stuetemperatur. Til prototypen har de brugt små kugler af metallet gadolinium, der har en høj magnetokalorisk effekt ved stuetemperatur.
Gadolinium, der er dyrt, er dog en foreløbig løsning. Forskerne på DTU Energikonvertering er i gang med at fremstille magnetokaloriske keramiske materialer. Fordelen er, at det keramiske materiale ikke korroderer, og at det kan formes til tynde plader, hvilket kan reducere energiforbruget.
Magnet af dyrt materiale
Selvom forskerne er kommet langt, er der et stykke udviklingsarbejde endnu, før man kan købe magnetkøleskabe i Elgiganten. Magneten, der skaber det kraftige magnetfelt, indeholder neodym. Neodym tilhører gruppen af sjældne jordarter, og derfor er det ganske kostbart. Kunsten er at konstruere en stærk magnet med så lidt neodym som muligt.
»I projektet har vi udarbejdet en computermodel, så vi kunne simulere, hvordan det var bedst at forme magneten, så den kan udnytte magnetfeltet bedst muligt. Og da vi byggede magneten, opførte den sig heldigvis, som vi havde forventet fra simuleringen. Næste trin er at optimere den yderligere og tilpasse den til konkrete produkter,« fortæller Christian Bahl.
Kommercielt samarbejde
Der er allerede interesse fra industrien. Forskerne har fået flere henvendelser fra udenlandske køleskabs- og varmepumpeproducenter. Selvom teknologien har taget udgangspunkt i køling, er processen den samme, når man vil lave varme – maskinen skal bare vendes om.
»Med projektet MagCool har vi ønsket at bringe teknologien lidt længere, så den kan bruges af industrien. Med den interesse, vi har fået fra industrielle virksomheder, håber vi at udvikle konkrete produkter inden for 3-4 år,« forklarer programleder Nini Pryds, der var projektleder på MagCool-projektet.
\ Kilder
\ MagCool var et samarbejde mellem Risø DTU (nu DTU Energikonvertering), DTU Mekanik samt virksomhederne Danfoss og Sintex i perioden 2007 – 2011. Projektet blev støttet af Det Strategiske Forskningsråd med knap 14 mio. kr.
\ Allerede i 1905 fremsatte den franske fysiker Paul Langevin en teori om, at når magnetiserbare materialer bliver anbragt i et magnetfelt, vil der komme temperaturstigninger. I 1918 observerede fysikerne Weiss og Piccard, at nikkel havde en reversibel temperaturændring på 0,7 grader, når det blev magnetiseret og afmagnetiseret ved 354 C. Dermed var den magnetokaloriske effekt åbenbaret. I midten af 1920’erne foreslog de to forskere i fysisk kemi Peter Debye og William Giauque uafhængigt af hinanden, at man kunne skabe meget lave temperaturer ved at udnytte den magnetokaloriske effekt.
I de efterfølgende 1930’ere brugte man magnetisme til at få temperaturer tæt på det absolutte nulpunkt i laboratoriet. Ved at køle magnetiseret materiale ned med f.eks. flydende helium kunne man nedkøle materialet yderligere ved derefter at fjerne magnetiseringen. I 1976 konstruerede G.V. Brown det første kølesystem ved stuetemperatur, som havde et temperaturspand på 47 grader. I modsætning til de fleste af de kølesystemer, der eksperimenteres med i dag, brugte Brown en stor superledende magnet, som blev kølet ned ved hjælp af flydende helium.
Siden har forskergrupper i hele verden udviklet over 20 forskellige køleapparater ved hjælp af permanente magneter, og det er lykkedes at frembringe større og større temperaturspand. Det, der gør DTU’s apparat unikt, er, at det ved stuetemperatur kan opretholde en temperaturforskel på 20,5 grader, samtidig med at det bliver varmet op med 100 watt.
