NWO-I

NWO - Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek - print-logo

URL voor deze pagina :
https://www.nwo-i.nl/fom-historie/jaarverslagen/hoogtepunten/hoogtepunten2013/magnetocalorische-materialen-niet-alleen-voor-koelen-nr-i28/

Geprint op :
10 december 2018
23:26:36

Efficiënt koelen is onder andere belangrijk om de houdbaarheid van voedsel te garanderen. Magnetisch koelen is een alternatief voor het algemeen toegepaste gascompressie-koelproces. De belangrijkste voordelen van magnetisch koelen zijn een hoge energie-efficiëntie, de schaalbaarheid en het feit dat het koelen fluisterstil gebeurt. Ook is recycling zeer eenvoudig, omdat de koeltechniek gebruik maakt van een vaste stof als koelmiddel. De onderzoekers van dit programma zoeken naar geschikte magnetocalorische materialen voor deze toepassing.

Magnetisch koelen is gebaseerd op het magnetocalorisch effect. Wanneer je een magneetveld over een materiaal zet, zal de spinrichting van de elektronen zich aan dat magneetveld aanpassen. Hierbij komt energie vrij in de vorm van warmte. Deze warmte is af te voeren via een vloeistof of gas. Als het magneetveld vervolgens uit wordt gezet, zullen de elektron-spins zich weer willekeurig richten. Dat kost juist energie – waardoor de temperatuur van het materiaal daalt.

Geschikte materialen
Elk magnetisch materiaal vertoont het magnetocalorisch effect. Het effect is bijzonder groot in de nabijheid van de Curietemperatuur, de temperatuur waarop spontane magnetische ordening verdwijnt, en bij materialen met een groot magnetisch moment. In het zeldzame aardmetaal gadolinium is het effect het grootst rond kamertemperatuur. Gadolinium is echter duur, en bij temperaturen boven 30 ° C neemt het magnetocalorisch effect snel af.

Het materiaal MnFePSi (mangaan, ijzer, fosfor en silicium) vertoont een veel groter magnetocalorisch effect dan gadolinium. Daarnaast kan de werktemperatuur tot ver boven kamertemperatuur worden ingesteld door te variëren met  de fosfor/silicium- en mangaan/ijzer-verhoudingen. Het grotere magnetocalorische effect ontstaat doordat de magnetische overgang van orde naar wanorde gepaard gaat met een verandering in het atoomrooster, waarbij warmte vrijkomt. De som van deze warmte-effecten is groter dan het gewone magnetocalorisch effect. Daarom wordt dit effect het reuze-magnetocalorisch effect genoemd.

Om ook bij minder sterke magneetvelden een groot magnetocalorisch effect  te bereiken, is aan MnFePSi borium toegevoegd. In MnFePSi blijkt borium op de roosterplaatsen van fosfor en silicium terecht te komen. Dit was eigenlijk niet verwacht omdat borium veel kleiner is dan deze elementen, en in de structuur genoeg ruimte is om borium te accommoderen. De nieuwe verbinding MnFePSiB vertoont echter wel de beoogde betere eigenschappen.