Mais tarde, durante este século, por volta de 2060, espera-se uma mudança de paradigma no consumo global de energia:gastaremos mais energia para resfriamento do que para aquecimento. Enquanto isso, a crescente penetração de aplicações de resfriamento em nossas vidas diárias causa uma pegada ecológica em rápido crescimento. Novos processos de refrigeração, como resfriamento magnético, podem limitar o impacto resultante no clima e no meio ambiente. Pesquisadores da Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) e da Technische Universität Darmstadt examinaram mais de perto os materiais mais promissores da atualidade. O resultado de seu trabalho é a primeira biblioteca sistemática de material magnetocalórico com todos os dados de propriedade relevantes, que publicaram agora no jornal Materiais de energia avançados .

O resfriamento artificial usando compressão de gás convencional já existe em aplicações domésticas comerciais há cerca de cem anos. Contudo, a tecnologia quase não mudou durante esse tempo. Os especialistas estimam que cerca de um bilhão de refrigeradores baseados nesta tecnologia estão em uso em todo o mundo hoje, em números cada vez maiores. "A tecnologia de resfriamento é agora considerada o maior consumidor de energia em nossas próprias quatro paredes. O potencial de poluição ambiental causada por refrigerantes típicos é igualmente problemático, "O Dr. Tino Gottschall, do Laboratório de Alto Campo Magnético de Dresden do HZDR, descreve a motivação de sua pesquisa.

O "efeito magnetocalórico, "que pode se tornar o coração das futuras tecnologias de resfriamento, é um processo em que certos elementos e ligas mudam repentinamente de temperatura quando expostos a um campo magnético. Existe toda uma série dessas substâncias magnetocalóricas já conhecidas por pesquisas. "Mas se eles são adequados para aplicações domésticas e industriais em grande escala - esta é uma questão totalmente diferente, "acrescenta o Prof. Oliver Gutfleisch, do Institute of Materials Science da Technische Universität Darmstadt.

Banco de dados de substâncias para materiais de resfriamento

Os cientistas estavam coletando dados sobre as propriedades das substâncias para esclarecer essas questões. Contudo, eles rapidamente encontraram dificuldades. "Ficamos particularmente surpresos que apenas alguns resultados de medições diretas podem ser encontrados na literatura especializada, "reporta Gottschall." Na maioria dos casos, esses parâmetros foram indiretamente derivados dos dados de magnetização observados. Descobrimos que nem as condições de medição, como a força e o perfil do campo magnético aplicado, nem os regimes de medição, são comparáveis. Consequentemente, os resultados não coincidem. "

Para dissipar as inconsistências nos parâmetros de materiais publicados anteriormente, os cientistas desenvolveram um elaborado programa de medição, que cobre todo o espectro dos materiais magnetocalóricos atualmente mais promissores e suas propriedades materiais relevantes. Ao combinar medições de alta precisão com considerações termodinâmicas, os pesquisadores de Darmstadt e Dresden foram capazes de gerar conjuntos de dados de materiais consistentes. Os cientistas agora estão apresentando este banco de dados sólido que pode facilitar a seleção de materiais adequados para várias aplicações de resfriamento magnético.

Quais materiais podem suportar o gadolínio?

A adequação de um material para fins de resfriamento magnético é, em última análise, determinada por vários parâmetros. Requer a combinação adequada de propriedades do material para competir com tecnologias de resfriamento bem estabelecidas. Para descrever as propriedades mais importantes dos materiais de resfriamento de amanhã, Gottschall afirma:"A mudança de temperatura alcançada na temperatura ambiente deve ser grande, e tanto calor quanto possível deve ser dissipado ao mesmo tempo. "

Para entrar em futuras aplicações em massa, essas substâncias não devem possuir características prejudiciais, tanto em termos de meio ambiente quanto de saúde. "Além disso, não devem consistir em matérias-primas classificadas como críticas devido aos riscos de abastecimento e difíceis em termos de substituição em aplicações tecnológicas, "explica Gutfleisch." Na avaliação geral dos processos tecnológicos, este aspecto é freqüentemente negligenciado. Um mero foco nas propriedades físicas não é mais suficiente hoje. A este respeito, resfriamento magnético também é um excelente exemplo dos desafios fundamentais que vêm junto com a atual transição de energia, o que não será possível sem acesso sustentável a materiais adequados. "

Na temperatura ambiente, o principal padrão magnetocalórico ainda é feito de gadolínio. Se o elemento de terra rara for trazido para um campo magnético de 1 Tesla, os cientistas medem uma mudança de temperatura de quase 3 graus Celsius. Tendo em mente a viabilidade econômica dos futuros dispositivos de resfriamento magnético, a geração de tais intensidades de campo provavelmente dependerá de ímãs permanentes comerciais.

Materiais adequados:um olhar para o futuro

Apesar de suas excelentes propriedades, as perspectivas de uso de gadolínio em aparelhos domésticos de refrigeração são bastante irrealistas. O elemento é um daqueles metais de terras raras que são classificados como críticos quando se trata de um seguro, fornecimento de longo prazo. Dado um design igual, trocadores de calor feitos de ligas de ferro-ródio podem dissipar quantidades ainda maiores de calor por ciclo de resfriamento. No entanto, o metal do grupo da platina ródio está igualmente na lista de matérias-primas apontadas pela Comissão Europeia devido a uma elevada criticidade.

Os pesquisadores, no entanto, encontraram materiais candidatos que estão prontamente disponíveis em um futuro próximo e, ao mesmo tempo, com um desempenho promissor. Compostos intermetálicos que consistem nos elementos lantânio, ferro, manganês e silício, por exemplo, em que o hidrogênio é armazenado na estrutura cristalina, pode até superar o gadolínio em termos de calor que pode ser transferido para fora do compartimento da geladeira.

Outros poderiam seguir o exemplo:Pesquisadores do HZDR e da TU Darmstadt estão trabalhando duro para expandir a gama de materiais magnéticos de resfriamento. Em estreita cooperação, cientistas de ambas as instituições estão preparando uma nova série de experimentos investigando as propriedades de substâncias magnetocalóricas. No Laboratório de Alto Campo Magnético de Dresden, por exemplo, eles são definidos para estudar como essas substâncias se comportam em campos magnéticos de alta pulsação. O foco mais amplo de pesquisas futuras reside na resposta de um determinado material ao impacto simultâneo de diferentes estímulos, como campos magnéticos, tensão e temperatura, bem como a construção de demonstradores eficientes.