Сотрудники Института физики имени Х. И. Амирханова Дагестанского федерального исследовательского центра РАН (Махачкала) выяснили, что сплав никеля, марганца, олова и небольшого количества меди под действием магнитных полей (при разовом включении/выключении магнитного поля) практически необратимо охлаждается на 13°С.

Авторы предложили использовать эту особенность в гибридных системах охлаждения бытовых приборов, например холодильников. Такие системы комбинируют различные методы охлаждения для достижения более эффективной и экологически устойчивой работы. Результаты исследования, поддержанного Российским научным фондом (РНФ), опубликованы в журнале Applied Physics Letters.

Системы охлаждения используются в самых разных устройствах: кондиционерах, холодильниках и не только. Чаще всего они работают на принципах компрессорного охлаждения. Это значит, что понижение температуры происходит за счет хладагентов — веществ (обычно газов), которые при испарении «отнимают» тепло у того объекта, который нужно охладить.

Недостаток компрессорного охлаждения состоит в том, что хладагенты при повышенной температуре — например, при разморозке холодильника, — выделяют токсичные соединения: фтор и хлорид водорода. Более экологичная и безопасная альтернатива — магнитное охлаждение, при котором твёрдое вещество меняет температуру под воздействием окружающего его магнитного поля. Так, если объект поместить в постепенно усиливающееся магнитное поле, то вещество станет охлаждаться и поглощать тепло из окружающей среды. Если силу магнитного поля, напротив, снижать, объект будет выделять тепло и нагреваться. Ещё одно преимущество этого типа охлаждения заключается в том, что его можно использовать для достижения температур в очень широком диапазоне, включая экстремально низкие. Так, в сравнении с холодильником, который обычно работает в диапазоне от +4°C до -20°C, магнитное охлаждение позволяет достичь гораздо более низких температур, близких к абсолютному нулю (-273,15°C). В последние годы были получены несколько новых типов магнитных материалов, подходящих для магнитного охлаждения, однако их количество остается ограниченным.

Учёные исследовали способность сплава на основе никеля, марганца, олова и небольшого количества меди изменять свою температуру под действием магнитного поля.

Авторы провели эксперименты с этим сплавом, поместив его в прибор, к которому прикладываются постоянные и импульсные магнитные поля и в котором поддерживаются разные температуры. В ходе испытаний учёные использовали диапазон температур от -25°C до +50°C, в котором наблюдается наибольшее изменение магнитных свойств исследуемого сплава. Оказалось, что в диапазоне температур от -20°C до 10°C намагниченность сплава резко изменяется, что может свидетельствовать о значительных изменениях температуры сплава при воздействии магнитного поля.

Авторам удалось, действуя на сплав магнитным полем, максимально снизить температуру образцов на 13,15°C. Такой эффект наблюдался, когда охлажденный до температуры 1,85°С сплав помещали в импульсное магнитное поле. При этом образец был изолирован от окружающей среды и не мог обмениваться с ней теплом. Когда магнитное поле отключали, сплав сохранял низкую температуру (около -11°С).

Это значит, что такой материал перспективен для гибридных систем охлаждения. Это инновационный подход, в котором комбинируются традиционные методы (например, компрессорное или термоэлектрическое) и магнитное охлаждение.

«Предложенный метод позволяет охлаждать объекты на -13°C всего за 0,1 секунды. Для сравнения, чтобы охладить холодильник, работающий на основе газовых хладагентов, на 1,8°C, в среднем требуется одна минута. Поэтому магнитное охлаждение показывает более эффективные результаты. Полученные данные будут полезны при разработке гибридных систем охлаждения, например бытовых холодильников», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Адлер Гамзатов, ведущий научный сотрудник Института физики имени Х. И. Амирханова Дагестанского федерального исследовательского центра РАН.

В исследовании принимали участие учёные из Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН (Москва), Института низких температур и структурных исследований ПАН (Вроцлав, Польша), Дрезденской лаборатории высокого магнитного поля Центра им. Гельмгольца Дрезден-Россендорф (Дрезден, ФРГ), и Исфаханского технологического университета (Исфахан, Иран).

Источник: пресс-служба РНФ.