Grandes avances hacia la refrigeración magnética doméstica

Científicos de todo el mundo están buscando alternativas para convertir los refrigeradores magnéticos en opciones ecológicas de uso doméstico.

Susana Paz

Los sistemas industriales y domésticos de refrigeración se basan en la compresión y expansión de un gas de forma cíclica. Al comprimirse el gas pasa al estado líquido y al expandirse se evapora de nuevo. Para evaporarse necesita calor, lo extrae del medio al que toca y por tanto lo enfría.

Los gases escapan a la atmósfera y los que resultan más adecuados para el proceso de refrigeración causan efecto invernadero o destrucción de la capa de ozono. El protocolo de Kyoto compromete a los países firmantes a reducir la tasa de emisión de dichos gases, por lo que investigadores de todo el mundo están trabajando para encontrar nuevos sistemas refrigerantes que sean eficientes y ecológicos.

Una de las principales alternativas que se están investigando es la refrigeración magnética. Se trata de cambiar totalmente el principio de enfriamiento utilizado: En vez de gas, usar un sólido magnético y en vez de ciclos de compresión-expansión, ciclos de imanación-desimanación.

La refrigeración magnética ha tenido muchos avances en los últimos años. Científicos daneses, ingleses, estadunidenses y japoneses, han encontrado diversas alternativas para convertir los refrigeradores magnéticos en una de las opciones para uso doméstico. En este número, se expone un panorama de los últimos descubrimientos e innovaciones en el tema.

La refrigeración magnética
Los refrigeradores convencionales, como los de uso doméstico, extraen el calor de los alimentos y lo expulsan al exterior. Su funcionamiento se basa en la compresión de gases y la evaporación de líquidos, es decir, en el calor implicado en los cambios de estado. Los líquidos al evaporarse absorben calor.

En la refrigeración magnética, se pretende sustituir el uso de refrigerantes y compresores, por otro dispositivo que se basa en la física de un fenómeno distinto: el calor asociado a algunos cambios que sufren determinadas sustancias bajo la acción de un campo magnético; éste es el llamado efecto magnetocalórico.

Este fenómeno fue descubierto en 1881 y consiste en un cambio reversible de la temperatura de un material metálico expuesto a un campo magnético. La temperatura de estos materiales se modifica cuando se les aplica un campo magnético exterior, lo que ocurre en metales y materiales cerámicos.

Para que este cambio de temperatura tenga lugar, es preciso que el estado magnético del material afectado por el campo sea alterado instantáneamente, lo que se conoce como transición magnética y ocurre a temperaturas precisas.

En ese momento la configuración magnética de los átomos cambia, provocando una disminución de temperatura o efecto negativo, o se produce una absorción de calor o aumento de temperatura, lo que se conoce como efecto positivo.

Este efecto viene siendo utilizado por la física de bajas temperaturas desde los años treinta, no obstante, ha sido recientemente, debido a los avances ocurridos en las ciencias de los materiales, que el efecto ha podido ser utilizado a temperatura ambiente.

De esta forma se ha considerado al material magnetocalórico como elemento activo en los sistemas de refrigeración. La ventaja de estos materiales, a diferencia de metales, es que no se corroen con el agua y que sus oscilaciones de temperatura pueden ser controladas.

Fue el físico alemán Emil Warburg quien por primera vez, en 1881, observó que una pieza de metal se calentaba al ponerla cerca de un imán potente. Esto se explica porque la materia está formada por átomos y algunos de ellos se comportan como pequeños imanes; se dice entonces que tienen un momento magnético asociado.

La orientación de estos imanes es al azar — paramagnetismo — pero cuando se aplica un campo magnético adecuado, capaz de vencer la agitación térmica, los momentos se alinean y se habla de orden magnético ferromagnetismo.

Esta transición implica un aumento de orden interno (o una disminución de entropía) que lleva asociada una variación de energía, y ésta se registra en forma de calor liberado. Por tanto, las variables que regulan este proceso, para un material dado, son el campo magnético aplicado y la temperatura.

En lugar de gases se emplean sólidos magnéticos; en vez de ciclos de compresión-expansión, se trabaja con ciclos de imanación-desimanación
	Aplicación de un campo magnético, H		Ferromagnetismo           Ordenamiento de espines       Baja entropía                                     T > Curie
	Paramagnetismo               Desorden en la orientación          Alta entropía                                       T > Curie

Avances, el primer refrigerador magnético
La refrigeración magnética se ha usado con éxito en sistemas de licuación de gases, aplicaciones criogénicas y actualmente se trabaja en él como gran candidato para la refrigeración doméstica y acondicionamiento de aire.

En 2006, ingenieros del Departamento de Pilas de Combustible y Química del Laboratorio Riso en Roskilde, Dinamarca, desarrollaron una nueva técnica de refrigeración magnética. Se trata de un prototipo que funciona con un ciclo de cuatro tiempos y usa materiales cerámicos, que son estables y duraderos. No tiene partes móviles (compresor), haciendo superior su rendimiento energético.

Esta tecnología ahorra hasta una tercera parte de la energía que consumen los refrigeradores actuales. Utiliza materiales sólidos y no volátiles como componentes activos, así como agua y alcohol como medio para transportar el calor. Una vez que pueda aplicarse a nivel industrial, producirá una refrigeración no contaminante y energéticamente eficaz a precios competitivos.

Nuevas Aleaciones
En otra región, investigadores de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido, anunciaron el descubrimiento de una aleación metálica no tóxica y barata capaz de producir frío cuando queda expuesta a un campo magnético. Según afirmaron, su eficacia es 40% superior a los modelos actuales de refrigeración.

Esta aleación está compuesta de cobalto, manganeso, silicio y germanio. No es tóxica ni cara y libera suficiente frío a temperatura ambiente, por lo que puede servir como bomba de calor.

En el mismo rubro, científicos norteamericanos anunciaron en 2002 haber dado con la fórmula para la construcción de refrigeradores magnéticos, sin que este proyecto haya tenido continuidad conocida. Este sistema se basaba en la utilización de gadolino, usado como componente en las varillas de control de los reactores nucleares.

En ese mismo año, ingenieros holandeses publicaron haber descubierto que algunos compuestos de manganeso pueden actuar como refrigerantes a temperatura ambiente en presencia de débiles campos magnéticos.

Ha sido en 2009, que un equipo internacional del Centro para la Investigación de los Neutrones (NCNR, por sus siglas en inglés) del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), en Estados Unidos, descubrió otra “exótica” aleación de metal.

La investigación pudo haber superado los obstáculos técnicos y medioambientales que han impedido que la refrigeración magnética llegue a los hogares. Y es que si bien depende de los materiales magnetocalóricos, el efecto experimentado por estos materiales puede usarse en el ciclo de refrigeración clásico, pues los científicos han logrado temperaturas de casi el cero absoluto.

Dos factores han impedido que la refrigeración magnética llegue al mercado doméstico: La mayoría de los sistemas magnetocalóricos que funcionan cerca de la temperatura ambiente requieren tanto del prohibitivo gadolinio, un caro y raro metal, como del arsénico, un veneno mortífero.

La aleación que el equipo ha encontrado (una mezcla de manganeso, hierro, fósforo y germanio) no es el primer material magnetocalórico con temperatura de trabajo, cercana a la temperatura ambiente, que no contiene nada de gadolinio ni de arsénico (lo cual lo hace más seguro y barato), sino que también tiene propiedades magnetocalóricas tan buenas que un sistema basado en él podría rivalizar en eficiencia con los sistemas clásicos de compresores de gas.

Trabajando junto a los científicos visitantes de la Universidad de Tecnología de Pekín e inspirados por ellos, han podido comprobar que cuando se expone a un campo magnético, la estructura cristalina del material recién descubierto cambia por completo, lo que explica su excepcional manera de comportarse.