Eljött a mágneses hűtőszekrények ideje?

A mai hűtőszekrényeink működési elve már 1748-ban ismert volt, még mielőtt Napóleon egyáltalán megszületett volna. Az azóta eltelt évszázado...

A mai hűtőszekrényeink működési elve már 1748-ban ismert volt, még mielőtt Napóleon egyáltalán megszületett volna. Az azóta eltelt évszázadok alatt a háztartási hűtéstechnika alapelve lényegében változatlan maradt.

A jól ismert kompresszoros hűtők úgy működnek, mint az emberi test, amikor izzad: egy folyadék elpárolgása hőt von el a felülettől, majd ezt a hőt leadja a környezetnek. Mivel azonban a bolygónk évről évre melegebbé válik, a hűtés iránti globális igény is rohamosan növekszik. Emiatt vált sürgetővé a kérdés: létezik-e olyan technológia, amely gyökeresen megváltoztathatja a hűtőszekrényekről alkotott képünket, és kordában tarthatja a növekvő energiaigényt?

A válasz a Németországban működő Magnotherm nevű vállalat és a Darmstadti Egyetem kutatói szerint a mágnesekben rejlik. A szakemberek egy úgynevezett magnetokalorikus hűtési eljáráson dolgoznak, amely a várakozások szerint akár 30 százalékkal kevesebb energiát igényelhet, mint egy átlagos otthoni hűtőszekrény vagy klímaberendezés. Bár a technológia első hallásra meglehetősen sci-finek hangzik, a hátterében rejlő fizikai folyamat meglepően logikus és lefordítható a mindennapok nyelvére.

A magnetokalorikus hűtés lényege, hogy egy speciális anyag felmelegszik vagy lehűl aszerint, hogy a rá ható mágnesességet növelik vagy csökkentik. Atomi szinten vizsgálva a jelenséget, a magnetokalorikus anyagokban lévő mágneses momentumok normál esetben szabadon mozognak. Amikor a külső mágneses mező megnő, ezek a momentumok mind egy irányba rendeződnek, és a mozgási energiájukat hő formájában leadják az anyag kristályrácsának. Ha pedig a mágnesességet megszüntetik, a folyamat megfordul, és az anyag lehűl.

A Magnotherm mérnökei a gyakorlatban úgy építették fel ezt a ciklust, hogy forgó mágnesekkel felváltva melegítik és hűtik a speciálisan kialakított fémtömböket, miközben egy vizes keveréket keringetnek át rajtuk egy zárt rendszerben. Amikor a mágnes hatására a fém felmelegszik, a rajta átnyomott víz átveszi a hőt, és ezt a forróságot kiengedi a környezetbe. Ezt követően a mágnes eltávolításával a fém lehűl, a rászivattyúzott víz szintén hideggé válik, ezt a hideg vizet pedig el lehet vezetni magába a hűtőtérbe. Ez a precízen időzített gépészeti koreográfia teszi lehetővé, hogy a belső hőmérséklet folyamatosan alacsony maradjon.

A technológia megvalósítása azonban komoly anyagtudományi és mérnöki kihívásokat gördít a fejlesztők elé. A kezdeti prototípusokhoz a kutatók főként gadolíniumot használtak a kiváló mágneses tulajdonságai miatt. Ez az elem viszont drága ritkaföldfém, így a vállalat egy olyan vasalapú ötvözetre váltott, amely 75-80 százalékban vasból áll, és mindössze 8 százalékban tartalmaz lantánt.

Ebből a por formájú ötvözetből 3D nyomtatási eljárással hoznak létre tömör téglalapokat, amelyeket aztán kemencében edzenek meg. A 3D nyomtatásra azért van elengedhetetlenül szükség, mert az anyag belsejében egy lyukacsos, leginkább ementáli sajtra emlékeztető csatornahálózatot kell kialakítani. Ha ezek a csatornák nem lennének hajszálpontosak, a keletkezett hőenergiát nem lehetne elég gyorsan kivezetni az anyagból.

Egyetlen magnetokalorikus téglalap ráadásul mindössze 5-6 Celsius-fokos hőmérséklet-változásra képes, ami önmagában messze nem elég egy hűtőszekrény működtetéséhez. Ezért a mérnököknek úgynevezett aktív mágneses regenerációs hűtőciklust kell kiépíteniük, ahol a tárolófolyadékot több hűtési ponton mozgatják keresztül, hogy összeadódva nagyobb hőmérséklet-különbséget érjenek el. Mindez rendkívül bonyolulttá teszi a rendszert, a Magnotherm csapata például több mint hat év alatt legalább 10 ezer órán át tesztelte a berendezéseit a hibák kiszűrésére.

A cég eddig két működő modellt fejlesztett ki a gyakorlatban. Az egyik a Polaris, amely egy 85 wattos hűtőhordó, a másik pedig egy nagyobb, kétajtós hűtőszekrény 400 wattos teljesítménnyel. Az energiahatékonyságot tekintve a kutatók hosszú távon 30 százalékos javulást céloznak meg a hagyományos kompresszoros megoldásokhoz képest.

A valóságban a Magnotherm Eclipse modellje jelenleg a B kategóriás energiahatékonysági besorolást érheti el. A befektetett energiára jutó hűtési teljesítmény arányában a Polaris még 1 körüli értéket produkált, míg az újabb Eclipse modell már 2 fölé jutott. Noha a cél a 3-as, majd a jövőben az 5-ös arány elérése, a független kutatók szerint a piacon való igazi versenyképességhez 6,2 körüli értékre lenne szükség.

Az iparági áttörés előtt még több jelentős akadály tornyosul. Az egyik legnagyobb gond a hűtési kapacitás korlátja: a nagy ipari szereplők szerint egy mágneses hűtőrendszert csak akkor érdemes megfontolni, ha eléri a 600, de inkább az 1000 wattos hűtési teljesítményt. A Magnotherm jelenlegi 400 wattos csúcsteljesítménye ehhez még kevés.

Az ipari méretű hűtéshez, például épületek vagy szerverparkok klimatizálásához rendkívül nagy mágnesekre lenne szükség. A Dán Műszaki Egyetem által kifejlesztett 2000 wattos rendszerben a mágnesek önmagukban 50 kilót nyomnak, a még nagyobb kapacitáshoz pedig ezerszeres méretű mágneses tömeg kellene.

A másik kritikus tényező a gazdaságosság. A hagyományos kompresszorok gyártási költsége nevetségesen alacsony, mindössze 5 euró körül mozog, és évtizedek óta megbízhatóan működnek. Ezzel szemben a mágneses hűtők jelenleg kifejezetten drágák: áruk 6500 és 16 000 euró között mozog, ami akár a háromszorosa is lehet a hasonló hagyományos modellek árának. A fejlesztők bíznak abban, hogy a gyártás több ezres szériára való felfuttatásával az árak csökkenni fognak, és a jelentős energiamegtakarítás révén a berendezések akár három éven belül visszahozhatják a magasabb felárukat.

Mindezek alapján valószínű, hogy a mágneses hűtés a közeljövőben nem fogja tömegesen felváltani az átlagos háztartási hűtőszekrényeket vagy az otthoni klímákat. Elterjedése sokkal inkább azokon a speciális területeken várható, ahol a vásárlók hajlandóak megfizetni a magasabb technológiai árat a megbízhatóságért és a pontos hőmérséklet-szabályozásért – ilyen terület lehet például a prémium kategóriás gyógyszertárolás és az egészségügyi hűtéstechnika. A forradalom tehát nem marad el, de a konyháink helyett először a laboratóriumok ajtaján fog kopogtatni.