Wetenschappers hebben ontdekt dat de magnetische eigenschappen van een materiaal op een simpele manier zijn aan te passen. Deze ontdekking brengt de komst van een commerciële magnetische koelkast dichterbij.
De ontdekking is gedaan door Vitalij Pecharsky en zijn collega’s van de Iowa State University. Uit hun onderzoek blijkt dat de magnetische eigenschappen van een materiaal door een kleine ingreep zijn te veranderen. Deze kennis kan worden gebruikt om een commerciële magnetische koelkast te ontwikkelen. Deze koelkast belooft veel efficiënter en milieuvriendelijker te zijn dan onze huidige warmtepomp-koelkast.
Pecharsky deed fundamenteel onderzoek naar het metaal Gd5Ge4, samengesteld uit de magnetische metalen gadolinium en germanium. Tijdens een experiment doopten ze Gd5Ge4 in twee andere metalen: lanthanium en lutetium. Lanthanum verving de atomen aan de buitenkant van Gd5Ge4, terwijl lutetium de atomen in de centrale laag van het materiaal verving.
Hieruit bleek dat het Gd5Ge4 gedoopt in lutetium minder gevoelig werd voor een magnetisch veld. En daaruit is weer af te leiden dat de atomen centraal in het Gd5Ge4 belangrijk zijn voor de magnetische eigenschappen. Door het dopen in lutetium is de gevoeligheid van Gd5Ge4 voor magnetische velden te reguleren. Dit leert ons dat magnetische eigenschappen door een vrij kleine wijziging zijn te veranderen.
Deze kennis kan worden gebruikt voor de ontwikkeling van een magnetische koelkast. De magnetische koelkast is gebaseerd op het magnetocalorisch effect. Dit effect vindt plaats wanneer een magnetisch materiaal in een magnetisch veld wordt geplaatst. De voorheen vrij bewegende atomen in het materiaal gaan allemaal één kant op wijzen. Dit kost veel energie, waardoor het materiaal opwarmt.
Dit effect is in te zetten bij koeling. De warmte die ontstaat tijdens de aanwezigheid van een magnetisch veld wordt afgevoerd door een koelvloeistof (zoals water). Nadat het magnetisch veld is weggehaald, zullen de elektronen vrij willen bewegen, maar om dit voor elkaar te krijgen, hebben ze veel energie nodig. Deze energie onttrekken ze uit de omgeving. Hierdoor wordt het om het metaal heen kouder en dat is natuurlijk precies wat je wilt in een koelkast. (Zie ook de onderstaande infographic, waar het werkingsproces is uitgetekend.)
Tijdens aanwezigheid van een magnetisch veld zal het materiaal warmte afgeven terwijl bij afwezigheid van het veld warmte wordt onttrokken van de omgeving. (Illustratie: GNU Free Documentation License)
Materiaalkundige Ekkes Brück van de TU Delft, die is gespecialiseerd in magnetocalorische metalen, vindt de vinding van Pecharsky interessant. Zijn eigen onderzoek gaat over het ontwikkelen van betaalbare materialen voor magnetische koelkasten. De metalen die op dit moment geschikt zijn (zoals gadolinium, dat 50 tot 100 euro per kilogram kost), kunnen nooit concurreren met goedkope conventionele koeling. Hij verwacht dat mangaan- en ijzerverbindingen dezelfde eigenschappen kunnen hebben als het dure gadolinium en de koelkast betaalbaar houden.
Bronnen: New Scientist, Kennislink, TNO