Trasferimento di calore nel raffreddamento magnetico

Tecnica innovativa di raffreddamento che utilizza l’effetto magnetocalorico per raggiungere basse temperature, ideale per applicazioni in refrigerazione e criogenia.

Trasferimento di calore nel raffreddamento magnetico

Il raffreddamento magnetico è una tecnica innovativa utilizzata per ottenere basse temperature, spesso raggiungendo valori al di sotto dei -270°C (circa 3 Kelvin). Questo metodo sfrutta la proprietà dei materiali magnetici di rispondere ai campi magnetici cambiando il loro stato termodinamico. Vediamo come funziona e i principi fisici che lo governano.

Principio di base: Effetto Magnetocalorico

Il raffreddamento magnetico si basa sull’effetto magnetocalorico (MCE), che è un fenomeno termodinamico osservato in certi materiali magnetici. Quando un campo magnetico esterno viene applicato a questi materiali, i loro momenti magnetici si allineano, causando una diminuzione dell’entropia e un riscaldamento del materiale. Rimuovendo il campo magnetico, i momenti magnetici tornano al loro stato disordinato, causando un assorbimento di calore dall’ambiente circostante e quindi un raffreddamento del materiale.

Processo di Ciclo di Refrigerazione Magnetico

1. Polarizzazione magnetica: Applicando un campo magnetico, i momenti magnetici del materiale si allineano e il materiale si riscalda.
2. Rimozione del calore: Il calore generato viene rimosso tramite un refrigerante esterno, mantenendo il materiale isolato dal sistema che si intende raffreddare.
3. Demagnetizzazione adiabatica: Rimuovendo gradualmente il campo magnetico, il materiale si raffredda assorbendo il calore dall’ambiente circostante.
4. Assorbimento del calore: Il materiale raffreddato viene poi messo a contatto con l’ambiente che si intende raffreddare, assorbendo il calore da esso.

Materiali Utilizzati

I materiali usati nel raffreddamento magnetico sono tipicamente composti di terre rare e metalli di transizione. Tra i più comuni troviamo:

• Gadolino (Gd)
• Leghe di Gadolino-Silicio-Germanio (Gd₅(Si₂Ge₂))
• Leghe di Alluminio-Ferro-Cobalto (AlFe₂Co)

Questi materiali sono scelti per le loro elevate proprietà magnetocaloriche. Inoltre, sono spesso combinati con altri materiali per ottimizzare l’efficienza e la stabilità del sistema di raffreddamento.

Applicazioni del Raffreddamento Magnetico

Il raffreddamento magnetico ha vari campi di applicazione, tra cui:

1. Refrigerazione domestica: Sistemi di refrigerazione senza compressori, potenzialmente più efficienti e meno rumorosi.
2. Refrigerazione industriale: Mantenimento di basse temperature nei processi industriali sensibili al calore.
3. Criogenia: Produzione di temperature criogeniche per l’uso nei superconduttori e nelle applicazioni di fisica delle particelle.

In sintesi, il raffreddamento magnetico rappresenta una promettente tecnologia nel campo della termica e del control termico, con potenziali benefici in termini di efficienza energetica e sostenibilità ambientale.