211service.com
Miljøvenlige køleskabe
Moderne kølere og køleskabe forårsager muligvis ikke huller i ozonlaget som deres modstykker fra før 1994, men de bruger stadig drivhusgasser, der opvarmer planeten. Deres kompressorer bruger også meget energi: klimaanlæg og køleskabe brugte omkring 340 milliarder kilowattimer i 2005 - næsten 30 procent af den samlede energi, der blev brugt i amerikanske hjem.
Fedt værktøj: Denne foreløbige version af et energieffektivt magnetisk køleskab viser en ringformet 1,2-tesla-magnet. Magneten kan omfatte en bevægelig cylinder indeholdende materialer, der opvarmes i nærvær af et magnetfelt og afkøles, når feltet fjernes. Når det afkøles, absorberer materialet varme fra omgivelserne.
Forskere ved Risø National Laboratorium i Roskilde er nu et skridt tættere på at bygge et magnetisk kølesystem, der lover energieffektive, miljøvenlige og fuldstændig lydsvage køleskabe. Temperaturer i konventionelle køleskabe svinger mellem -20 og 20 ºC. At opnå dette temperaturspænd på 40 ºC er en af de største udfordringer med magnetisk køling. De danske forskere har bygget et køleskab, der kan variere temperaturen med næsten 9 ºC.
Dette er et vigtigt skridt hen imod praktiske temperaturspænd på 40 ºC, siger Nini Pryds , seniorforsker hos Risø, der leder arbejdet. Forskerholdet arbejder nu med Danfoss , en af de største kompressorproducenter i verden, til at bygge en kommerciel prototype; virksomheden siger, at den skal være klar i 2010.
Magnetisk køleteknologi udnytter materialer, der opvarmes, når de udsættes for et magnetfelt, og afkøles, når magnetfeltet fjernes. Når materialet afkøles, trækker det varme ud af omgivelserne. Jo større forskellen er mellem de varmeste og koldeste temperaturer, der opnås under påvirkning af et magnetfelt, jo bedre er materialet til afkøling.
Magnetiske kølere er blevet brugt i årevis i laboratorier til kryogene temperaturer titusinder grader under nul. I 1995 demonstrerede Ames Laboratory i Iowa det første magnetiske køleskab, der afkølede indholdet i et miljø med stuetemperatur. Virksomheden brugte metallet gadolinium.
Siden da har forskere fundet mange andre materialer, der virker ved stuetemperatur. Problemet er, at temperaturudsvingene i alle disse stoffer kun er nogle få grader. At opnå en stor temperaturændring er let, hvis du bruger en superledende magnet, siger Pryds. Men superledende magneter er store og kræver selv afkøling, hvilket gør dem upraktiske til hverdagsapparater som husholdningskøleskabe og klimaanlæg. Til disse applikationer, siger han, er den eneste vej at gå en permanent magnet. Ideelt set skulle det være en lille, billig magnet med et felt på mindre end én tesla.
At få store temperaturspænd med en permanent magnet kræver noget smart teknik. Typisk betyder det brug af kølevæsker såsom vand. Materialet, med vand cirkulerende omkring det, placeres skiftevis ind og ud af et magnetfelt. Når den er i marken, varmer den op. Det cirkulerende vand trækker varme fra materialet og overfører det til en køleplade. Derefter fjernes magnetfeltet, og materialet, som allerede var ved at blive afkølet af vandet, afkøles endnu mere. Når det afkøles, absorberer det varme fra vandet, hvilket gør det koldt nok til at blive brugt som køleskab. Denne varm-kold-cyklus gentages igen og igen.
Det er svært at sætte de forskellige dele – materiale, magneter, væskekøling – sammen i et praktisk magnetisk køleskab. Forskere er nødt til at designe et system, der får mindst 40 ºC temperaturændring og nok køleeffekt – køleskabe har i øjeblikket effekt på så meget som 150 watt – ved hjælp af en permanent magnet med et magnetfelt på mindre end én tesla. Det kræver en hårfin balance mellem systemets parametre. For eksempel, når forskere udvider temperaturspændet, kan køleeffekten falde, eller systemet kan have brug for mere energi. Det er et ingeniørmareridt, siger forsker i Ames Laboratory Karl Gschneidner , en pioner inden for magnetisk køling.
Men belønningen vil være rigelig. Magnetiske køleskabe vil være meget mere energieffektive end konventionelle køleskabe, fordi de kun behøver energi til at cirkulere vandet. Energiforbruget i magnetiske køleskabe [skal] være hele 60 procent lavere end traditionel køling, siger Pryds. I modsætning til konventionelle køleskabe behøver magnetiske systemer heller ikke kølemidler såsom hydrofluorcarboner, som er potente drivhusgasser.
Pryds er overbevist om, at hans gruppes arbejde vil føre til kommercielle magnetiske køleskabe. Ligesom andre forskerhold bruger Risø-gruppen det vandkølende design. Men mens de fleste forskerhold bruger gadoliniumpulver, bruger de danske forskere plader lavet af et keramisk materiale indeholdende lanthan, strontium, calcium og mangan. Pryds fortæller, at keramik er kemisk stabilt; de korroderer ikke i korroderende væsker såsom vand. De keramiske plader skulle også være nemmere at fremstille i stor skala. Kombinationen af keramisk materiale og forskernes endelige køleskabsdesign – som endnu ikke er offentligt – kan føre til praktisk succes, siger han.
Forskerne står dog over for nogle hårde konkurrenter. Ames Laboratory-forskere, der arbejder med Milwaukee-baserede Aeronautics Corporation of America, har lavet systemer med temperaturspænd på 25 ºC og 95 watt køleeffekt ved hjælp af 1,5-tesla-magneter. Andrew Rowe og hans kolleger ved University of Victoria i Canada har lavet 15-watt kølesystemer med temperaturspænd på 30 ºC. I mellemtiden er forskere ved Chubu Electric Power og Toshiba i Japan gået ned til omkring 0,8 teslaer for at få et spænd på 10 ºC.
Tingene ser op, siger Gschneidner, og om yderligere 5 til 10 år burde magnetiske køleskabe være på markedet. Mange forskergrupper arbejder nu på magnetiske køleskabe, laver bedre materialer og kommer med bedre systemdesign. Også, tilføjer Rowe, bliver permanente magneter mindre og billigere. De grundlæggende principper er blevet vist og demonstreret, siger han. Magnetisk køling virker. Nu har vi brug for nogle hårdt tænkende [og] gode designs, og forhåbentlig vil disse ting finde sammen.