In het journaal Technische Natuurkunde Beoordelingen , een internationaal onderzoeksteam van de Universiteit van Barcelona, het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), en TU Darmstadt rapporteren over mogelijkheden om efficiëntere en milieuvriendelijkere koelprocessen te implementeren. Voor dit doeleinde, ze onderzochten de effecten van gelijktijdige blootstelling van bepaalde legeringen aan magnetische velden en mechanische spanning.

Vroeger, onderzoekers hielden zich vooral bezig met het bekende magnetocalorische effect, die kan worden waargenomen wanneer bepaalde metalen en legeringen worden blootgesteld aan een magnetisch veld:de materialen veranderen spontaan hun magnetische volgorde en hun temperatuur, waardoor ze veelbelovende kandidaten zijn voor magnetische koelcircuits. "Onlangs is gebleken dat we dit effect in bepaalde materialen aanzienlijk kunnen versterken door gelijktijdig andere stimuli toe te voegen, zoals een krachtveld, of meer specifiek, een mechanische belasting, " zegt Dr. Tino Gottschall van het High Magnetic Field Laboratory (HLD) bij HZDR, beschrijft de aanpak van het team. Een kleine reeks van dergelijke multicalorische materialen is reeds bekend.

Het onderzoeksteam selecteerde een speciale nikkel-mangaan-indiumlegering als een van de meest veelbelovende materialen voor hun experimenten. Het is een van de magnetische "vormgeheugen" legeringen, wiens geheugen het resultaat is van de transformatie van twee verschillende kristalroosters:als er een externe stimulus is, zoals een magnetisch veld, deze structuren vloeien in elkaar over, resulterend in merkbare veranderingen in het materiaal, bijvoorbeeld duidelijk waarneembare vormveranderingen zijn niet ongewoon. Het bijzondere van de geselecteerde verbinding is, echter, dat bij een bepaalde temperatuur waarbij de kristalstructuren veranderen, ook de magnetische eigenschappen van de verbinding veranderen abrupt:structuur en magnetisme zijn sterk met elkaar verbonden.

Een op maat gemaakt meetinstrument

Om de materiaaleigenschappen te bepalen die nodig zijn voor een efficiënt koelproces, moest het team in Barcelona eerst een unieke, speciaal ontworpen calorimeter om warmte te meten en die de gelijktijdige toepassing van een magnetisch veld en druk op het monster mogelijk maakt. Om dit te doen, de wetenschappers gebruikten een bekende methode uit het testen van materialen en pasten deze aan voor hun doeleinden, het monster onderwerpen aan eenassige mechanische spanning.

Terwijl de magnetische fluxdichtheden varieerden tot 6 Tesla, dat is 120, 000 keer sterker dan het aardmagnetisch veld, de toegepaste piekdrukspanning was een matige 50 megapascal. Voor de gegeven steekproefomvang, die kracht komt ongeveer overeen met een massa van 20 kilogram. "Je kunt dit soort druk met de hand uitoefenen. En dat is het beslissende aspect voor toekomstige toepassingen, omdat dergelijke beheersbare mechanische belastingen relatief eenvoudig te implementeren zijn, " legt Prof. Lluís Mañosa van de Universiteit van Barcelona uit, toevoegend:"De uitdaging voor ons was om nauwkeurige metingen van zowel drukspanning als spanning in onze calorimeter te integreren zonder de meetomstandigheden te verstoren."

Gezocht:procesbesturing voor praktijktoepassing

Het evalueren van de verkregen resultaten was vrij complex. De onderzoekers registreerden gelijktijdig verschillende parameters, zoals temperatuurverandering, magnetische fluxdichtheid, drukspanning, en de entropie van de legering tijdens geprogrammeerde koel- en verwarmingsfasen in de buurt van een specifieke temperatuur waarbij het gegeven materiaal transformaties in het kristalrooster ondergaat die leiden tot een verandering in magnetisatie. In de gebruikte legering, dit proces vindt plaats bij kamertemperatuur, wat ook voordelig is voor latere praktische toepassing.

De metingen brengen het gedrag van het monster in een vierdimensionale ruimte in kaart. Om deze ruimte op een zinvolle manier in kaart te brengen, is een reeks experimenten nodig, resulterend in grootschalige meetcampagnes. Voor prof. Oliver Gutfleisch van de TU Darmstadt, de inspanning is de moeite waard:"De interactie van de verschillende stimuli in multicalorische materialen is tot nu toe nauwelijks onderzocht. Onze nikkel-mangaan-indiumlegering is de best onderzochte prototypeverbinding in deze klasse van materialen tot nu toe. Ons werk heeft enkele lege plekken op de eigendomskaart."

Nutsvoorzieningen, de wetenschappers kunnen het voordeel van extra drukbelasting pragmatisch beoordelen - een centrale onderzoeksdoelstelling van het ERC Advanced Grant Project Cool Innov. In een koelcyclus met in de handel verkrijgbare neodymium permanente magneten, het koelrendement zou kunnen worden verdubbeld door gelijktijdig een krachtveld aan te leggen. Het team gaat ervan uit dat het nieuwe proces ook van grote waarde zal zijn bij het zoeken naar andere veelbelovende koelmaterialen voor de toekomst.