Из чего можно сделать магнитный холодильник
Томские физики исследуют особенности мартенситного превращения
В Сибирском физико-техническом институте Томского государственного университета исследуют особенности мартенситных превращений в магнитоуправляемых материалах с памятью формы при охлаждении и нагреве и под нагрузкой. Данные будут использованы в устройствах с повышенной надежностью, к примеру, в магнитоуправляемых датчиках. Исследование станет отправной точкой и для создания магнитных холодильников — экологически чистых и более эффективных, чем нынешние. Проект поддержан Научным фондом ТГУ им. Д. И. Менделеева.
Фото: Reuters
Предмет исследования сотрудников лаборатории физики высокопрочных кристаллов СФТИ ТГУ — ферромагнитные сплавы с эффектом памяти на основе интерметаллидов, обогащенных никелем и алюминием. Они могут изменять и восстанавливать форму (максимум 10%) под действием магнитного поля, а не только температуры и механических напряжений, как никелид титана. Детали из ферромагнитного сплава способны изменять форму огромное количество циклов — десятки тысяч раз! — с малыми потерями энергии, что хорошо для практического применения.
Ферромагнетики очень перспективны для создания магнитоуправляемых датчиков, актуаторов (по-иному — исполнительное устройство: элемент системы автоматического управления, который воздействует на объект, изменяя поток энергии) и других устройств, используемых при строительстве космических аппаратов, самолетов, автомобилей и оборудования, где нужны материалы с высокой термостойкостью и износостойкостью.
«По новому гранту мы исследуем температурные интервалы проявления мартенситных превращений в ферромагнетиках. При таких фазовых превращениях в материале происходят изменения структуры и наблюдается деформация,— объясняет ведущий научный сотрудник СФТИ Елена Панченко.— Исследования будут проводиться в широком температурном интервале — от минусовой температуры жидкого азота (–195,75 °C) до +300 °C».
Чтобы выяснить, как происходит мартенситное превращение под нагрузкой, сначала сплав будут нагружать и разгружать в различных температурных условиях (от –70 °C до +300 °С). Это позволит выяснить предел внешних условий (температуру, механические напряжения), после которого материал начинает терять свои функциональные свойства. Изучение механических свойств и структуры ферромагнитных сплавов поможет задавать им необходимые функциональные характеристики, исходя из целей, поставленных промышленностью.
Мартенситное превращение стало причиной гибели экспедиции Роберта Скотта в 1912 году: она достигла Южного полюса, однако не смогла вернуться обратно. Среди снежной пустыни люди остались без горючего: керосин вытек из разрушившихся по неизвестной причине баков, которые были пропаяны оловом. Долгое время ученые не могли объяснить столь странное поведение металла, и только в 1940-е годы выяснилось, что причина кроется в изменении кристаллической структуры олова под действием низких температур.
Физики ТГУ проводят исследования не только на поликристаллах, но и на монокристаллах сплавов с непрерывной кристаллической решеткой. Наличие такой структуры обеспечивает повышенную прочность и защищает материал от разрушения в процессе испытаний. Физики СФТИ ТГУ единственные в России и одни из немногих в мире научились изготавливать монокристаллы крупных размеров. Технология их выращивания создана и запатентована руководителем лаборатории Юрием Чумляковым.
Результаты исследования ученых СФТИ могут стать отправной точкой для создания принципиально новой бытовой техники. Для этого будет использоваться способность ферромагнетиков изменять температуру под воздействием магнитного поля в результате обратимого выделения или поглощения тепла, так называемый магнитокалорический эффект. Уже сегодня его применяют в холодильных установках и тепловых машинах.
В обозримом будущем он станет основой для создания магнитных холодильников, которые будут гораздо эффективнее, экологичнее и безопаснее, нежели компрессионные, в которых используется фреон.