Refrigeración magnética
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La refrigeración magnética es una tecnología de enfriamiento basada en el efecto magnetocalórico. Esta técnica puede usarse para lograr temperaturas extremadamente bajas, así como rangos de temperaturas como los usados en los refrigeradores normales. Comparado con la refrigeración de gas tradicional, la refrigeración magnética es más segura, silenciosa, compacta, tiene una mayor eficiencia y es más respetuosa con el medio ambiente al no usar gases perjudiciales para la capa de ozono.[1][2][3]
Este efecto fue observado por primera vez por el físico francés P. Weiss y el físico suizo A. Piccard en 1917.[4] El principio fundamental fue sugerido por P. Debye en 1926 y W. Giauque en 1927.[5] Los primeros prototipos de refrigerador magnético fueron construidos por diferentes grupos a partir de 1933. La refrigeración magnética fue el primer método que permitió lograr temperaturas por debajo de 0.3K, temperatura que también es alcanzable con 3He, esto es, bombeando vapores de helio-3.
Ecuación
El efecto magnetocalórico es un fenómeno magneto-termodinámico en el cual un cambio de temperatura en un material susceptible de ello se da cuando se expone dicho material a un campo magnético variable. Esto es conocido como desimanación adiabática. En dicha parte del ciclo de refrigeración, una disminución en la intensidad de un campo magnético aplicado externamente permite que los dominios magnéticos de un material magnetocalórico se desorienten por la agitación magnética de los fonones presentes en el material. Si el material está aislado de forma que no se permita la entrada de energía desde el exterior durante dicha desorganización, la temperatura disminuye como consecuencia de la absorción de calor por dichos dominios. La aleatorización de los dominios es parecida a la que se da en la temperatura de Curie de un material ferromagnético, excepto en que los dipolos magnéticos se imponen sobre un campo magnético externo de menor intensidad mientras la energía total del sistema permanece constante, en vez de darse la disrupción de dominios magnéticos por ferromagnetismo interno conforme se añade más energía.
Uno de los ejemplos de efecto magnetocalórico más notables se da en el metal gadolinio y alguna de sus aleaciones. La temperatura del gadolinio aumenta cuando se somete al efecto de ciertos campos magnéticos. Cuando dicho campo magnético cesa, su temperatura disminuye. Este efecto es más fuerte en la aleación (Gd5Si2Ge2).[6] El praseodimio aleado con níquel (PrNi5) tiene un efecto magnetocalórico tan fuerte que ha permitido a los científicos llegar a temperaturas cercanas a un milikelvin, o una milésima de grado por encima del cero absoluto.[7]
El efecto magnetocalórico puede cuantificarse con la siguiente expresión:
donde T es la temperatura, H es el campo magnético, C es la capacidad calorífica del imán de trabajo y M es la magnetización del refrigerante.
De la ecuación se deduce que el efecto magnétocalórico puede incrementarse con las siguientes técnicas:
- aplicando un campo magnético más intenso,
- usando un imán con menor capacidad calorífica,
- usando un imán con una mayor relación entre magnetización y temperatura en un campo magnético constante.
Ciclo termodinámico
Este ciclo se aplica de manera análoga a un ciclo de Carnot, con variaciones en la intensidad del campo magnético en vez de cambios de presión. Inicialmente el material a ser enfriado se introduce dentro de un campo magnético, es decir, el flujo magnético aumenta. El material a ser enfriado o refrigerante empieza en equilibrio térmico con su entorno inmediato.
- Magnetización adiabática: La sustancia magnetocalórica se introduce dentro de un entorno aislado térmicamente. El campo magnético externo aumenta de intensidad haciendo que los dipolos magnéticos se alineen con dicho campo, disminuyendo por lo tanto la entropía magnética y la capacidad calorífica del refrigerante. Así, la energía interna total del sistema permanece constante, la entropía disminuye y por tanto aumenta la energía térmica del sistema.
- Transferencia entálpica isomagnética: El calor generado en el punto anterior puede ser eliminado por un gas o fluido, como helio líquido o gaseoso. La intensidad del campo magnético se mantiene constante para impedir que los dipolos reabsorban dicho calor. Cuando la temperatura ha disminuido lo suficiente, se retira el campo magnético aplicado (H = 0).
- Desmagnetización adiabática: La sustancia se vuelve a aislar adiabáticamente del entorno de forma que la entropía permanece constante. Sin embargo, en este caso el campo magnético se disminuye, y la energía térmica hace que el momento magnético supere dicho campo magnético, enfriándose, en un cambio de temperatura adiabático. La energía y entropía se transfiere, desde entropía térmica a entropía magnética, en forma de desorden de los dipolos magnéticos.[8]
- Transferencia entrópica isomagnética: El campo magnético se mantiene constante para evitar que el material se caliente. Dicho material se sitúa entonces en contacto con el entorno a enfriar. Ya que dicho material está más frío que su entorno, por diseño, la energía calorífica migra desde el sistema a enfriar hacia el material de trabajo.
Una vez que el refrigerante y su entorno llegan al equilibrio térmico, el ciclo empieza de nuevo.
En la práctica
El principio básico de funcionamiento de un refrigerador de desmagnetización adiabática (RDA) consiste en el uso de un intenso campo magnético para controlar la entropía de un material, comúnmente llamado "refrigerante". El campo magnético limita la orientación de sus dipolos magnéticos. Según aumenta la intensidad de dicho campo, también lo hace la cantidad de dipolos alineados con él, lo cual se traduce en una disminución de su entropía y capacidad calorífica, debido a que los materiales pierden algunos de sus grados de libertad internos. Si el refrigerante se mantiene a temperatura constante mediante el uso de un disipador de calor, generalmente helio líquido, el refrigerante debe perder una parte de su energía ya que se equilibra térmicamente con el fluido de disipación de calor. Cuando disminuye la intensidad o se retira el campo magnético, la capacidad calorífica del refrigerante aumenta de nuevo porque los grados de libertad asociados con la orientación de los dipolos están disponibles de nuevo, tomando su parte de energía a partir de la energía cinética de las moléculas, y por tanto disminuyendo la temperatura del material. Ya que el sistema se mantiene aislado, el proceso es adiabático, es decir, el sistema no puede intercambiar energía con su entorno inmediato (el fluido disipador de calor) y su temperatura disminuye por debajo de su valor inicial, es decir, la del fluido disipador.
El funcionamiento de un RDA se puede resumir de la siguiente forma: Primero, un intenso campo magnético se aplica al refrigerante, forzando a sus dipolos a alinearse y transfiriendo dichos grados de libertad hacia un estado de baja entropía. El fluido disipador de calor absorbe dicha energía, liberada en forma de calor debido a la disminución de entropía. Se interrumpe el contacto térmico con el fluido disipador, aislando efectivamente el material refrigerante, y el campo magnético se retira, aumentando la capacidad calorífica del refrigerante y disminuyendo su temperatura por debajo de la del fluido disipador. En la práctica, la intensidad del campo magnético se reduce gradualmente para permitir una refrigeración continua y mantener la muestra a una temperatura baja y constante. Cuando el campo magnético se aproxima a cero o un valor bajo determinado por las propiedades del refrigerante, el potencial enfriador del RDA disminuye, y pérdidas de calor hacen que el refrigerante se caliente.
