UNIVERSIDAD DE BARCELONA

Un 17 % del gasto energético mundial se destina a la refrigeración doméstica e industrial. Este consumo se está disparando, sobre todo en países emergentes, y se prevé que en pocos años el gasto en refrigeración supere al que se dedica a generar calor, a causa principalmente del cambio climático. Por otra parte, la tecnología actual que se emplea en refrigeración está basada los fluorocarburos, gases que provocan efecto invernadero y que en los próximos años deberán sustituirse por otras posibilidades.

Una de las opciones de cambio es la creación de sistemas de refrigeración basados en el estado sólido, y dentro de ella, los materiales que se basan en el uso de campos magnéticos para enfriar son una de las alternativas mejor posicionadas. En esa línea se ha desarrollado una investigación en el Departamento de Física de la Materia Condensada de la UB, publicada en Nature Materials y liderada por los catedráticos Lluís Mañosa y Antoni Planes, así como por el doctorando Adrià Gràcia, en colaboración con el profesor Oliver Gutfleisch, de la Universidad Técnica de Darmstadt (Alemania), y el doctor Tino Gottschall, del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). Estos investigadores han diseñado un ciclo de enfriamiento en seis pasos basado en la «memoria magnética» de ciertas aleaciones.

«Ciertos tipos de aleaciones, al ser sometidas a un campo magnético, quedan magnetizadas —incluso cuando se extrae el citado campo— y además, en este proceso, el material se enfría», explica Lluís Mañosa. «Lo que hemos descubierto en este trabajo —detalla—, es que aplicando una presión exterior podemos revertir el efecto de la magnetización y devolver el sistema a su estado original. Este paso es necesario para establecer un ciclo cerrado».

El ciclo de refrigeración desarrollado por los investigadores consta de seis pasos. En el primero, se aplica el campo magnético y el material se enfría; en el siguiente, se extrae el campo de forma que el material se mantiene imantado gracias a la histéresis. En el tercer paso se aplica presión mecánica sobre el material, lo que permite modificar su estructura cristalina y devolverlo a su estado no magnético a la vez que el material se calienta. El efecto de refrigeración tiene lugar en el cuarto paso, cuando el material absorbe calor del entorno. Después —quinto paso—, se elimina la presión y el material se mantiene en este nuevo estado en el que ya ha quedado desmagnetizado. Finalmente, la aleación entrega calor al entorno y así se cierra el ciclo (ver imagen).

Para esta investigación, los expertos han utilizado una aleación magnetocalórica de níquel, manganeso e indio (Ni-Mn-In) que permite trabajar a temperatura ambiente. Además, los materiales que constituyen la aleación son fácilmente accesibles, a diferencia de los que se utilizan en la actualidad.

Por razones tecnológicas, el ciclo de refrigeración magnética necesita utilizar imanes permanentes. Estos imanes están basados en las tierras raras, minerales extremadamente costosos y que además se obtienen mediante procesos muy contaminantes.

«Gracias a este nuevo paso que hemos incluido en el ciclo de refrigeración, el tamaño de los imanes que se requieren se reduce considerablemente, haciendo de esta manera que se gane competitividad. Actualmente, para cada parte de materiales refrigerantes se requiere cuatro veces más cantidad de imán. El nuevo ciclo es más competitivo, ya que solo exige la mitad de imán», apunta Antoni Planes. «Otro de los puntos importantes —continúa el investigador— es que este nuevo ciclo aprovecha el fenómeno de la histéresis, que habitualmente implica una pérdida de energía».

Actualmente, existe cierto consenso en torno a la idea de que este tipo de materiales magnetocalóricos puede llegar a ser más eficiente que los sistemas actuales, y de que los dispositivos basados en estos materiales podrían llegar a sustituir los de aquellos aparatos que no requieren grandes descensos de temperatura, de entre 15 y 20 ºC, como los aires acondicionados domésticos.

Referencia del artículo: T. Gottschall, A. Gràcia-Condal, M. Fries, A. Taubel, L. Pfeuffer, L. Mañosa, A. Planes, K.P. Skokov, O. Gutfleisch: «A multicaloric cooling cycle that exploits thermal hysteresis», Nature Materials, AOL 10 setiembre 2018. Doi: 10.1038/s41563-018-0166-6