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Réfrigérateurs respectueux de l'environnement
Les glacières et les réfrigérateurs modernes ne causent peut-être pas de trous dans la couche d'ozone comme leurs homologues d'avant 1994, mais ils utilisent toujours des gaz à effet de serre qui réchauffent la planète. Leurs compresseurs consomment également beaucoup d'énergie : les climatiseurs et les réfrigérateurs ont utilisé environ 340 milliards de kilowattheures en 2005, soit près de 30 % de l'énergie totale utilisée dans les foyers américains.
Outil sympa : Cette version préliminaire d'un réfrigérateur magnétique économe en énergie montre un aimant en forme d'anneau de 1,2 tesla. L'aimant peut englober un cylindre mobile contenant des matériaux qui s'échauffent en présence d'un champ magnétique et se refroidissent lorsque le champ est supprimé. En refroidissant, le matériau absorbe la chaleur de son environnement.
Les chercheurs du laboratoire national de Risoe, à Roskilde, au Danemark, font maintenant un pas de plus vers la construction d'un système de refroidissement magnétique qui promet des réfrigérateurs économes en énergie, respectueux de l'environnement et totalement silencieux. Les températures dans les réfrigérateurs conventionnels oscillent entre -20 et 20 ºC. Atteindre cette plage de température de 40 ºC est l'un des défis les plus importants de la réfrigération magnétique. Les chercheurs danois ont construit un réfrigérateur qui peut faire varier la température de près de 9 ºC.
Il s'agit d'une étape importante vers des plages de température pratiques de 40 °C, selon Nini Pryds , un scientifique principal à Risoe qui dirige les travaux. L'équipe de recherche travaille maintenant avec Danfoss , l'un des plus grands fabricants de compresseurs au monde, pour construire un prototype commercial ; l'entreprise dit qu'elle devrait être prête d'ici 2010.
La technologie de refroidissement magnétique exploite des matériaux qui chauffent lorsqu'ils sont exposés à un champ magnétique et refroidissent lorsque le champ magnétique est supprimé. En refroidissant, le matériau évacue la chaleur de son environnement. Plus la différence entre les températures les plus chaudes et les plus froides atteintes sous l'influence d'un champ magnétique est grande, meilleur est le refroidissement du matériau.
Les refroidisseurs magnétiques sont utilisés depuis des années dans les laboratoires pour des températures cryogéniques de plusieurs dizaines de degrés en dessous de zéro. En 1995, le laboratoire Ames, dans l'Iowa, a fait la démonstration du premier réfrigérateur magnétique qui refroidissait le contenu dans un environnement à température ambiante. L'entreprise a utilisé le gadolinium métallique.
Depuis lors, les chercheurs ont trouvé de nombreux autres matériaux qui fonctionnent à température ambiante. Le problème est que les variations de température dans toutes ces substances ne sont que de quelques degrés. Atteindre un grand changement de température est facile si vous utilisez un aimant supraconducteur, dit Pryds. Mais les aimants supraconducteurs sont gros et nécessitent un refroidissement eux-mêmes, ce qui les rend peu pratiques pour les appareils de tous les jours tels que les réfrigérateurs ménagers et les climatiseurs. Pour ces applications, dit-il, la seule voie à suivre est un aimant permanent. Idéalement, il devrait s'agir d'un petit aimant bon marché avec un champ de moins d'une tesla.
Obtenir de grandes plages de température avec un aimant permanent nécessite une ingénierie intelligente. En règle générale, cela signifie utiliser des liquides de refroidissement tels que l'eau. Le matériau, entouré d'eau, est alternativement placé dans et hors d'un champ magnétique. Quand c'est sur le terrain, ça chauffe. L'eau en circulation tire la chaleur du matériau et la transfère à un dissipateur thermique. Ensuite, le champ magnétique est supprimé et le matériau, qui était déjà refroidi par l'eau, se refroidit encore plus. En refroidissant, il absorbe la chaleur de l'eau, la rendant suffisamment froide pour être utilisée comme réfrigérateur. Ce cycle chaud-froid est répété encore et encore.
Mettre les différentes pièces – matériau, aimants, refroidissement liquide – ensemble dans un réfrigérateur magnétique pratique est difficile. Les chercheurs doivent concevoir un système qui obtient un changement de température d'au moins 40 °C et une puissance de refroidissement suffisante (les réfrigérateurs ont actuellement des puissances allant jusqu'à 150 watts) en utilisant un aimant permanent avec un champ magnétique inférieur à un tesla. Cela nécessite un équilibre délicat entre les paramètres du système. Par exemple, à mesure que les chercheurs étendent la plage de température, la puissance de refroidissement peut baisser ou le système peut avoir besoin de plus d'énergie. C'est un cauchemar d'ingénierie, déclare un chercheur du laboratoire Ames Karl Gschneidner , un pionnier du refroidissement magnétique.
Mais les récompenses seront nombreuses. Les réfrigérateurs magnétiques seront beaucoup plus économes en énergie que les réfrigérateurs conventionnels, car ils n'ont besoin d'énergie que pour faire circuler l'eau. La consommation d'énergie des réfrigérateurs magnétiques [devrait] être jusqu'à 60 % inférieure à celle de la réfrigération traditionnelle, dit Pryds. De plus, contrairement aux réfrigérateurs conventionnels, les systèmes magnétiques n'ont pas besoin de réfrigérants tels que les hydrofluorocarbures, qui sont de puissants gaz à effet de serre.
Pryds est convaincu que le travail de son groupe conduira à des réfrigérateurs magnétiques commerciaux. Comme d'autres équipes de recherche, le groupe Risoe utilise la conception du refroidissement par eau. Mais alors que la plupart des équipes de recherche utilisent de la poudre de gadolinium, les chercheurs danois utilisent des plaques en matériau céramique contenant du lanthane, du strontium, du calcium et du manganèse. Pryds dit que la céramique est chimiquement stable ; ils ne se corrodent pas dans les fluides corrosifs tels que l'eau. Les plaques en céramique devraient également être plus faciles à fabriquer à grande échelle. La combinaison du matériau céramique et de la conception finale du réfrigérateur des chercheurs - qui n'est pas encore publique - pourrait conduire à un succès pratique, dit-il.
Les chercheurs font cependant face à des concurrents coriaces. Les chercheurs du laboratoire Ames, en collaboration avec Aeronautics Corporation of America, basée à Milwaukee, ont conçu des systèmes avec des plages de température de 25 °C et une puissance de refroidissement de 95 watts à l'aide d'aimants de 1,5 tesla. Andrew Rowe et ses collègues de l'Université de Victoria, au Canada, ont fabriqué des systèmes de refroidissement de 15 watts avec des plages de température de 30 ºC. Pendant ce temps, les chercheurs de Chubu Electric Power et de Toshiba, au Japon, sont descendus à environ 0,8 teslas pour obtenir une plage de 10 ºC.
Les choses s'améliorent, dit Gschneidner, et dans 5 à 10 ans, les réfrigérateurs magnétiques devraient être sur le marché. De nombreux groupes de recherche travaillent maintenant sur des réfrigérateurs magnétiques, fabriquant de meilleurs matériaux et proposant de meilleures conceptions de systèmes. De plus, ajoute Rowe, les aimants permanents sont de plus en plus petits et moins chers. Les principes de base ont été montrés et démontrés, dit-il. Travaux de réfrigération magnétique. Maintenant, nous avons besoin de réflexions approfondies [et] de bonnes conceptions, et j'espère que ces choses se réuniront.