I journalen Tillämpad fysik recensioner , ett internationellt forskarlag från universitetet i Barcelona, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), och TU Darmstadt rapporterar om möjligheter att implementera effektivare och miljövänligare kylprocesser. För det här syftet, de undersökte effekterna av att samtidigt utsätta vissa legeringar för magnetfält och mekanisk påfrestning.

Förr, forskare var främst intresserade av den välkända magnetokaloriska effekten, som kan observeras när vissa metaller och legeringar utsätts för ett magnetfält:Materialen ändrar spontant sin magnetiska ordning såväl som sin temperatur, vilket gör dem till lovande kandidater för magnetiska kylkretsar. "Det har nyligen visat sig att vi kan öka denna effekt avsevärt i vissa material genom att samtidigt lägga till andra stimuli, som ett kraftfält, eller mer specifikt, en mekanisk belastning, säger Dr. Tino Gottschall från High Magnetic Field Laboratory (HLD) vid HZDR, beskriver lagets tillvägagångssätt. Ett litet urval av sådana flerkalorimaterial är redan känt.

Forskargruppen valde en speciell nickel-mangan-indium-legering som ett av de mest lovande materialen för sina experiment. Det är en av de magnetiska "formminne"-legeringarna, vars minne är ett resultat av omvandlingen av två olika kristallgitter:Om det finns en extern stimulans, såsom ett magnetfält, dessa strukturer förvandlas till varandra, vilket resulterar i märkbara förändringar i materialet – t.ex. tydligt märkbara formförändringar är inte ovanliga. Det speciella med den valda föreningen är, dock, att vid en viss temperatur vid vilken kristallstrukturerna förändras, föreningens magnetiska egenskaper förändras också abrupt:struktur och magnetism är starkt kopplade.

En skräddarsydd mätanordning

För att bestämma de materialegenskaper som är nödvändiga för en effektiv kylningsprocess, laget i Barcelona var först tvungen att utveckla en unik, specialdesignad kalorimeter för att mäta värme och som möjliggör samtidig applicering av ett magnetfält och tryck på provet. Att göra detta, forskarna utnyttjade en välbekant metod från materialtestning och anpassade den för sina syften, utsätta provet för enaxlig mekanisk påkänning.

Medan de magnetiska flödestätheterna varierade upp till 6 Tesla, vilket är 120, 000 gånger starkare än jordens magnetfält, den maximala tryckspänningen som applicerades var måttliga 50 megapascal. För den givna provstorleken, den kraften motsvarar ungefär en massa på 20 kilo. "Man kan utöva den här typen av tryck för hand. Och det är den avgörande aspekten för framtida ansökningar, eftersom sådana hanterbara mekaniska belastningar är relativt lätta att implementera, " förklarar professor Lluís Mañosa från universitetet i Barcelona, tillägger:"Utmaningen för oss var att integrera exakta mätningar av både tryckspänning och belastning i vår kalorimeter utan att förvränga mätförhållandena."

Önskas:processkontroll för praktisk tillämpning

Att utvärdera de erhållna resultaten var ganska komplicerat. Forskarna registrerade olika parametrar samtidigt, som temperaturförändringar, magnetisk flödestäthet, kompressiv stress, och legeringens entropi under programmerade kylnings- och uppvärmningsfaser nära en specifik temperatur vid vilken det givna materialet upplever transformationer i kristallgittret som leder till en förändring i magnetisering. I den använda legeringen, denna process sker vid rumstemperatur, vilket också är fördelaktigt för senare praktisk tillämpning.

Mätningarna kartlägger provets beteende i ett fyrdimensionellt utrymme. Att kartlägga detta utrymme på ett meningsfullt sätt kräver en rad experiment, resulterade i storskaliga mätkampanjer. För prof. Oliver Gutfleisch vid TU Darmstadt, ansträngningen lönar sig:"Samverkan mellan de olika stimulierna i multikaloriska material har knappast undersökts hittills. Vår nickel-mangan-indium-legering är den hittills bäst undersökta prototypföreningen i denna klass av material. Vårt arbete har fyllt i några tomma fläckar på fastighetskartan."

Nu, forskarna kan pragmatiskt bedöma fördelarna med ytterligare tryckbelastning – ett centralt forskningsmål för ERC Advanced Grant Project Cool Innov. I en kylcykel med kommersiellt tillgängliga neodym permanentmagneter, kylningseffektiviteten skulle kunna fördubblas genom att samtidigt applicera ett kraftfält. Teamet antar att den nya processen också kommer att vara av stort värde när man söker efter andra lovande kylmaterial för framtiden.