Onderzoekers van het Ames Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy hebben een geavanceerd modelsysteem ontworpen en gebouwd dat met succes zeer kleine hoeveelheden magnetocalorische materialen gebruikt om koeling op koelniveau te bereiken. De ontwikkeling markeert een belangrijke stap in het creëren van nieuwe technologieën om 100 jaar oude gascompressiekoeling te vervangen door solid-state systemen die tot 30 procent energiezuiniger zijn.

CaloriSMART, een klein modulair, geavanceerd teststation op onderzoeksschaal, is speciaal ontworpen voor de snelle evaluatie van materialen in regeneratoren zonder grote investering in tijd of productie. Bij de eerste test werd een monster gadolinium onderworpen aan opeenvolgende magnetische velden, waardoor het monster afwisselt tussen opwarmen en afkoelen. Met behulp van nauwkeurig getimede pompen om water te laten circuleren tijdens die verwarmings- en koelcycli, het systeem vertoonde een aanhoudend koelvermogen van ongeveer 10 watt, met een gradiënt van 15 graden Celsius (iets minder dan 30 ° F) tussen de warme en koude uiteinden met slechts ongeveer drie kubieke centimeter gadolinium.

"Ondanks voorspellingen zouden we falen vanwege verwachte inefficiënties en verliezen, we hebben altijd geloofd dat het zou werken, " zei CaloriCool-projectdirecteur en Ames Laboratory-wetenschapper Vitalij Pecharsky, "maar we waren aangenaam verrast door hoe goed het werkte. Het is een opmerkelijk systeem en het presteert uitzonderlijk goed. Magnetische koeling in de buurt van kamertemperatuur is al 20 jaar breed onderzocht, maar dit is een van de beste systemen die is ontwikkeld."

Pecharsky heeft projectwetenschapper Julie Slaughter en haar team gecrediteerd voor het ontwerpen van het systeem dat ongeveer vijf maanden in beslag nam om te bouwen. 3D-printmogelijkheden werden gebruikt om het verdeelstuk op maat te bouwen dat het monster bevat en de vloeistof circuleert die het koelvermogen van het systeem daadwerkelijk benut. Het systeem beschikt ook over op maat gemaakte neodymium-ijzer-boormagneten die een geconcentreerd magnetisch veld van 1,4 Tesla aan het monster leveren, en het nauwkeurige in-line pompsysteem dat de vloeistof circuleert.

"We hebben slechts 2-5 kubieke centimeter monstermateriaal nodig - in de meeste gevallen ongeveer 15-25 gram, " zei Slaughter. "We zetten de maatstaf met gadolinium en we weten dat er andere materialen zijn die nog beter zullen presteren. En ons systeem moet in de toekomst schaalbaar zijn (voor commerciële koeling).

"Maar de belangrijkste reden dat we CaloriSMART hebben bedacht en gebouwd, is om het ontwerp en de ontwikkeling van calorische materialen te versnellen, zodat ze minstens twee tot drie keer sneller naar de productieruimte kunnen worden verplaatst in vergelijking met de ongeveer 20 jaar die het tegenwoordig kost, " voegde Pecharsky eraan toe, die ook een Anston Marston Distinguished Professor is in de Iowa State University Department of Materials Science and Engineering.

De magnetocalorische testen zijn nog maar het begin. Het plan is om het systeem te upgraden om te werken met elastocalorische materialen - die omkeerbaar opwarmen en afkoelen wanneer ze worden onderworpen aan cyclische spanning of compressie - en elektrocalorische materialen die de

Het 3D-geprinte verdeelstuk met een gadoliniummonster. hetzelfde wanneer onderworpen aan veranderend elektrisch veld. Het systeem zal zelfs in een gecombineerde veldmodus werken, waardoor een combinatie van technieken tegelijkertijd kan worden gebruikt.

"Er zijn een handvol plaatsen die elastocalorische en elektrocalorische materialen bestuderen, "Pecharsky zei:"Maar niemand heeft ze alle drie op één plek en ons systeem geeft ons nu die mogelijkheid."