Misiones espaciales, experimentos científicos, aparatos médicos y proyectos militares han sido algunas de sus aplicaciones. Sin embargo, la refrigeración magnética se perfila como una de las favoritas para la maquila de equipos domésticos y comerciales
Manuel Merelles
Una nueva opción amigable con el medioambiente y con una gran eficiencia energética se presenta con el desarrollo de equipos que utilizan tecnología basada en los principios de la refrigeración magnética, la cual se vislumbra como una opción rentable y con diferentes aplicaciones en la industria, que van desde los refrigeradores domésticos hasta instrumentos en las misiones espaciales.
De acuerdo con el documento Los principios termodinámicos de la refrigeración magnética, de John Hoyos, Farid Chejne, César Chaves, Juan Velásquez y Alan Hill, de la Universidad Nacional de Colombia, la refrigeración magnética es la tecnología que utiliza el efecto magnetocalórico para reemplaz
ar con procesos de magnetización y desmagnetización de un material magnetocalórico los procesos de comprensión y expansión de los sistemas de refrigeración tradicionales.
El efecto magnetocalórico es la propiedad que le permite a los materiales presentar una variación en su temperatura como respuesta a la aplicación de un campo magnético externo. Al suprimir el compresor, la eficiencia del sistema aumenta y se reducen las emisiones de CO2, además de disminuir los efectos de los gases de efecto invernadero que representan los clorofluorocarbonos e hidrofluorocarbonos, pues reemplaza los refrigerantes del ciclo de vapor.
Debido a las ventajas energéticas y ambientales que presentan, en comparación con los sistemas tradicionales, la refrigeración magnética es una de las tecnologías con mayor potencial comercial.
|
Convencional Se transfiere el calor por medio del cambio en la presión ejercida sobre un material, en un proceso en donde la intensidad magnética permanece constante |
VS. |
Magnética La transferencia de calor es producida cuando hay un cambio en el campo magnético aplicado sobre el material, manteniendo la presión constante en el proceso. Una práctica muy común es evitar al máximo los cambios de presión |
Generalmente, se incluyen imanes y materiales magnetocalóricos en estos sistemas de refrigeración. Típicamente, estos elementos se mueven alternadamente, de tal manera que, al acercarse los imanes entre sí, el material magnetocalórico experimenta un campo magnético creciente, con lo cual se presenta un aumento de temperatura, y un campo magnético decreciente cuando los imanes se separan, produciendo una disminución en la temperatura.
En los sistemas de refrigeración magnética, a diferencia del ciclo de vapor, se utiliza como refrigerante un material magnetocalórico sólido que no se puede bombear a través de intercambiadores de calor, por lo cual, se emplea un fluido con la finalidad de transferir la energía entre el refrigerante magnético y los dispositivos (el fluido puede ser agua o helio, dependiendo de la temperatura de aplicación), cita el documento.
Así, la manifestación del efecto magnetocalórico como un cambio de entropía isotérmico o como una variación de temperatura adiabática proporciona la oportunidad de contar con diferentes ciclos termodinámicos.
CICLOS TERMODINÁMICOS
Carnot
En diversos estudios, se define al ciclo de Carnot como un proceso cíclico reversible que utiliza un gas perfecto, y que consta de dos transformaciones isotérmicas y dos adiabáticas. La aplicación de este ciclo está relacionada con la refrigeración magnética a temperaturas menores a -273° C, debido al aumento de la capacidad de calor, así como el de la temperatura. Asimismo, el efecto magnetocalórico disminuye al aumentar la capacidad de calor e incrementa la energía requerida para cambiar el orden magnético del material.
Brayton
Otro ciclo relacionado con esta tecnología es el de Brayton. Éste es termodinámico consistente, y que, en su forma más sencilla, se integra por una etapa de compresión adiabática, una de calentamiento isobárico y una expansión adiabática de un fluido termodinámico compresible.
Este ciclo permite operar a temperaturas mayores, ya que el intercambio de calor entre el refrigerante magnético y el fluido se realiza en procesos en los que la intensidad magnética permanece constante, a diferencia del ciclo de Carnot, en el que se realiza en procesos de cambios de energía isotérmicos.
Actualmente, los refrigeradores magnéticos utilizan ciclos regenerativos (Brayton) y de regeneración magnética activa. Sin embargo, inicialmente operaban con el ciclo de Carnot. Algunas de las aplicaciones más comunes de la refrigeración magnética han sido en licuefacción de gases, aplicaciones aeroespaciales, asó como médicas (imágenes de resonancias magnéticas) y el enfriamiento de sensores infrarrojos para aplicaciones científicas y militares.
Tipos de regeneradores
La aplicación de la refrigeración magnética a temperaturas más altas se realiza desde la década de 1970. En esta aplicación, la refrigeración magnética emplea tres tipos de regeneradores: un regenerador externo, un regenerador interno y el regenerador magnético activo.
- En los externos, la transferencia de calor entre el material regenerador, que generalmente es un sólido, y el material refrigerador se realiza a través de un fluido.
- En el interno, la transferencia de calor se hace directamente entre el material refrigerante y el material refrigerador, que generalmente es un fluido, ya que se colocan dentro del regenerador
- En el caso de los magnéticos activos, el regenerador cumple con las funciones de material magnético al igual que de material refrigerante, con lo cual disminuyen las pérdidas irreversibles por los procesos de transferencia de calor adicionales sufridas en el regenerador externo; al mismo tiempo, se evita la mezcla de las regiones del fluido regenerador con diferentes temperaturas que se presentan en el regenerador interno
La base para la aplicación comercial de la tecnología magnética es la realización de modelos que describan apropiadamente la transferencia de calor entre el material refrigerante y el fluido.
El efecto magnetocalórico con el que cuenta el gadolinio es uno de los principales elementos químicos relacionados con este tipo de refrigeración.
Además, este elemento, dado su magnetismo, depende de la temperatura a la que se encuentre, por lo que puede ser paramagnético, es decir, que su permeabilidad magnética es similar a la del vacío, o ferromagnético, que es cuando se produce un ordenamiento magnético de todos los momentos de una muestra, en la misma dirección y sentido.
Recientemente, algunos estudios, como los realizados en los centros de investigación en Zaragoza y Barcelona, en España, han revelado que el acetato de gadolinio tetrahidrato es capaz de fijarse a otros materiales, tal como el silicio, con el cual mantiene sus propiedades magnéticas y de refrigeración a bajas temperaturas.
Lo anterior, resulta imprescindible para el desarrollo de nuevos dispositivos en industrias, como la refrigeración espacial, para la creación de microchips criogénicos; en los detectores tanto de rayos X como gama; en astronomía, instrumentos de medidas físicas, en ciencia de materiales; o instrumentos de seguridad y como plataformas refrigerantes, ya que cuenta con un efecto magnetocalórico mayor que el de las aleaciones y nanopartículas magnéticas utilizadas actualmente como refrigerantes de muy bajas temperaturas.
En este sentido, una de las tecnologías que comienza a tomar gran relevancia es la basada en dispositivos de tamaño micrométrico (microchips) que permite reemplazar los equipos complejos y de gran tamaño que se utilizan en la actualidad; de esta forma, la refrigeración magnética es una de las principales soluciones que se vislumbran para hacer frente a este nuevo reto.
Alcances y perspectiva
Cooltech, empresa especializada en sistemas térmicos, se prepara para lanzar exhibidores de 500 W generados a partir de los principios de la refrigeración magnética.
La compañía, en colaboración con otros seis socios, ha avanzado rápidamente en el desarrollo de un producto comercial con el apoyo de inversionistas en tecnología que incluyen al gobierno francés, con un aporte de 20 millones de euros.
Además, el novedoso exhibidor contará con un rendimiento en cuanto a eficiencia energética del doble que los convencionales, pues no utiliza refrigerantes con hidrofluorocarbonos comúnmente empleados en estos equipos, como el R-134A.
Otra compañía que tiene planeado el lanzamiento de productos con la tecnología de refrigeración electromagnética es Whirlpool, quien, en colaboración con el especialista británico en este ramo, Camfridge, han estimado atacar el mercado en 2015 mediante la presentación de su refrigerador doméstico.
Al respecto, una de las principales características del desarrollo del refrigerador doméstico de Whirlpool es el uso de una aleación basada en hierro que provee el cambio magnético. Y que, de acuerdo con los investigadores, esta aleación resulta menos costosa que el gadolinio, además de que se busca alcanzar el doble de eficiencia, en comparación con los refrigeradores que operan con base en butano.
De esta forma y dadas sus características ecoamigables, de ahorro energético y multipropósito, la refrigeración magnética se perfila, según los especialistas, como la tecnología del frío del siglo XXI.
