كيف تعمل المواد المتقدمة على تشغيل التبريد المغناطيسي

مبادئ التبريد المغناطيسي

يعمل التبريد المغناطيسي على مبدأ التأثير المغناطيسي المغناطيسي. عندما تستقبل مادة مغناطيسية مجالاً مغناطيسياً، تسخن قليلاً مع محاذاة نطاقاتها المغناطيسية. تؤدي إزالة المجال إلى عكس العملية، وتبرد المادة فجأة. وتسمح هذه المغنطة الدورية وإزالة المغنطة بانتقال الحرارة بعيدًا عن المجال المبرد. وتتسم العملية برمتها بالبساطة والفعالية مقارنة بالطرق التقليدية.

فالطريقة بسيطة. يؤدي تطبيق مجال مغناطيسي إلى فقدان المادة للانتروبيا و انبعاث الحرارة. وبمجرد إزالة المجال، تستعيد المادة الإنتروبيا عن طريق امتصاص الحرارة من محيطها. ويسخّر المهندسون تدفق الطاقة هذا للحفاظ على درجات حرارة منخفضة دون غازات ضارة. وتعمل هذه الطريقة بشكل جيد في البيئات الخاضعة للرقابة وتمثل مخاطر بيئية أقل.

أنواع المواد المغناطيسية المغناطيسية

يتم تجميع المواد المغناطيسية البؤرية بناءً على تركيباتها وخصائصها. وتشمل الفئات الأساسية ما يلي:

1. السبائك القائمة على العناصر الأرضية النادرة ( على سبيل المثال، سبائك الجادولينيوم والجادولينيوم الجرمانيوم السيليكوني)
تُظهر هذه السبائك تأثيراً مغناطيسياً قوياً في درجة حرارة الغرفة. ويشتهر الجادولينيوم، على وجه الخصوص، بكفاءته العالية. وقد تحققت الأبحاث من ملاءمتها لوحدات التبريد الصغيرة والنماذج الأولية.

2. المركبات القائمة على الفلزات الانتقالية (على سبيل المثال، زرنيخيد فوسفيد الحديد المنغنيز وزرنيخيد الحديد المنغنيز وسبائك السيليكون من حديد اللانثانم)
حظيت هذه المركبات بالاهتمام. وهي غالباً ما توفر التأثير المغنطيسي على نطاق واسع من درجات الحرارة. كما أن توافرها وتكلفتها يجعلها جذابة للاستخدام الصناعي. وقد دعمت الدراسات المختبرية والتجريبية فوائدها في أنظمة التبريد.

3. سبائك Heusler والمواد الناشئة الأخرى
تتكون سبائك Heusler من عناصر متعددة مرتبة في بنية محددة. وتكشف النتائج المبكرة عن نتائج واعدة، خاصةً فيما يتعلق بالثبات والمتانة اللازمين للتدوير المتكرر. وتحظى بعض المواد الناشئة في هذه الفئة بالاهتمام بسبب خصائص أدائها المحسنة.
4. المواد القائمة على السيراميك والأكسيد
تتميز المواد الخزفية بثباتها الكيميائي ومقاومتها للتآكل. كما أنها تُظهر تأثيرات مغناطيسية معتدلة. وتتم مواجهة المشكلات المتعلقة بالهشاشة من خلال تقنيات معالجة بسيطة. وتستخدم المواد القائمة على الأكسيد أيضًا في سيناريوهات خاصة حيث تكون الموثوقية مطلوبة في ظل ظروف قاسية.

أداء المواد ومعايير الاختيار

اختيار المواد هو مفتاح نجاح نظام التبريد المغناطيسي. ويركز المهندسون على بعض الخصائص الهامة. رقم واحد في القائمة هو التأثير المغناطيسي المغناطيسي. التأثير العالي يعني كفاءة أكبر. نطاق درجة الحرارة الذي يعمل عليه النظام مهم أيضًا؛ يجب أن تكون المواد قادرة على العمل بشكل صحيح في النطاق المقصود.

وتشمل الاعتبارات الرئيسية الأخرى ثبات المادة مع التدوير المتكرر لدرجات الحرارة. لا يمكن التغاضي عن تكلفة العملية وصعوبتها. تم اختبار الجادولينيوم بدقة. وقد شهد تاريخ أدائها على أن مواد السبائك الأرضية النادرة يمكن الاعتماد عليها تحت درجات حرارة مختلفة. كما تُظهر مركبات الفلزات الانتقالية استقرارًا جيدًا على المدى الطويل. وأفادت بيانات وحدة التبريد التجريبية بكفاءة عالية ونتائج موحدة.

يطبق المهندسون كلاً من نتائج الاختبارات المعملية وتاريخ الحالات الميدانية لتقييم المواد المحتملة. تحدد تجارب المصنع التجريبي والاستخدامات الميدانية ومتانة الاختبار طويل الأجل أفضل اختيار لكل متطلبات تطبيق تبريد.

تطبيقات التبريد المغناطيسي

توجد تطبيقات التبريد المغناطيسي في مجموعة واسعة من الحالات. التبريد المغناطيسي مفيد حيثما يكون الحفاظ على الطاقة وتقليل التأثير البيئي في مرتبة عالية. يتم تمكين غرف التبريد الصغيرة بواسطة التبريد المغناطيسي في الأجهزة الطبية، مثل أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي.

كما تختبر صناعة السيارات أيضًا التبريد المغناطيسي لإدارة حرارة البطارية. وقد أثبتت الأدلة تحسن الأداء وعمر البطارية في حال استخدام نظام مغناطيسي. ومن التطبيقات الأخرى الثلاجات المنزلية ومعدات التبريد الصناعية. وقد أظهر كل تطبيق فوائد في الحد من الانبعاثات الضارة والتشغيل بهدوء أكبر.

تُظهر دراسات الحالة في قطاعات مختلفة أن التبريد المغناطيسي يقلل عادةً من استخدام الطاقة بنسبة 10 إلى 20 في المائة مقارنة بالطرق التقليدية. وقد ثبتت الموثوقية على مدى عقود من الاختبارات. كما يتم الحفاظ على انخفاض تكاليف الصيانة، مما يؤدي إلى انخفاض التكاليف الإجمالية على المدى الطويل.

الخلاصة

يعد التبريد المغناطيسي تطورًا مهمًا نحو حلول منخفضة التكلفة وموفرة للطاقة لتكنولوجيا التبريد. وينطوي التأثير المغناطيسي المدروس جيدًا إلى جانب مجموعة من المواد ذات التصميم المتطور على إمكانات كبيرة في مجموعة متنوعة من مجالات التطبيق. وبفضل الأداء الموثق والأبحاث الجارية، فإن إمكانية نمو التبريد المغناطيسي كبيرة، مما يوفر مزايا كبيرة مقارنة بالأنظمة التقليدية.

الأسئلة المتداولة

س: ما الذي يسبب التبريد في التبريد المغناطيسي؟
س: يحدث التبريد عندما تفقد المادة المغناطيسية المحاذاة وتمتص الحرارة من محيطها.

و: ما هي المواد المستخدمة عادةً في أنظمة التبريد المغناطيسي؟
س: تُعد السبائك ذات الأساس الأرضي النادر، ومركبات الفلزات الانتقالية، وسبائك هيوسلر، والمواد الخزفية أو القائمة على الأكسيد خيارات شائعة.

س: هل للتبريد المغناطيسي فوائد بيئية؟
ج: نعم، تقلل هذه الطريقة من غازات التبريد الضارة وتزيد من كفاءة الطاقة، وبالتالي تقلل من التأثير البيئي.