Физики ЧелГУ приближают появление на рынке холодильников нового типа
Группа учёных кафедры физики конденсированного состояния физического факультета Челябинского государственного университета работает над моделированием магнитокалорического эффекта (МКЭ) в различных сплавах. От успеха этой деятельности зависит появление на рынке принципиально новых моделей холодильных установок.
«Используя технологию магнитного охлаждения можно создать холодильную систему, которая отличается от привычных нам бытовых холодильников, работающих на фреоне. По всем подсчётам у нового рефрижератора будет больший КПД, меньшие энергозатраты, к тому же он экологичный, не содержит веществ, разрушающих озоновый слой, а также парниковых, опасных или токсичных газов», – комментирует профессор кафедры физики конденсированного состояния Владимир Соколовский.
На физическом факультете ЧелГУ сформировалась своя научная школа под руководством учёного с мировым именем, профессора Василия Бучельникова. Она специализируется на изучении магнитокалорического эффекта. Всплеск интереса к этой тематике среди физиков всего мира начался в 1990-е годы.
Теоретические исследования магнитокалорического эффекта в ферромагнитных сплавах Гейслера были начаты профессором Бучельниковым и его аспирантами в 2003 году. Первая статья, посвящённая измерениям МКЭ, а также его описаниям в рамках феноменологического подхода, была опубликована в журнале Journal of Magnetism and Magnetic Materials в 2004 году. На первых этапах была создана теория связанных магнитных и структурных переходов в сплавах Гейслера, которая была высоко оценена мировым научным сообществом, о чём свидетельствует большое количество цитирований.
Второй этап в развитии научной школы начинается в 2007 году. Он связан с экспериментальными исследованиями магнитных и магнитокалорических свойств магнитоупорядоченных сплавов. Специально для этого в ЧелГУ была приобретена автоматизированная измерительная система для измерения магнитокалорического эффекта (группа компаний AMT&C, Москва), а также разработана оригинальная установка по измерению низкополевой магнитной восприимчивости. На основе теоретических и экспериментальных исследований МКЭ профессором Сергеем Таскаевым с соавторами был разработан прототип устройства магнитного охлаждения, получено два патента.
В 2007 году на базе ЧелГУ под руководством Василия Бучельникова организована (совместная с ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН, Москва) лаборатория физики магнитных явлений. Коллектив научной школы по сей день сотрудничает с различными группами в России и за границей.
«Идея создания холодильника на основе магнитного охлаждения сейчас витает в воздухе. Но до сих пор эта задача не имеет достойного решения. Да, существуют прототипы холодильных машин нового типа, но, чтобы выйти на рынок, нужно прежде всего сильно уменьшить их себестоимость, – говорит Владимир Соколовский. – Пока наилучший эффект показывает гадолиний, но этот материал очень дорогой. Есть и другие сложности. Например, хороший охлаждающий эффект может показать слишком хрупкий материал, или эффект деградирует при циклическом воздействии магнитного поля. Вот мы и моделируем эти эффекты, изучая разные сплавы. Наша цель – прогнозирование сплава, обладающего наилучшим магнитокалорическим эффектом при комнатной температуре. В результате могут быть созданы не только холодильники, но и другие приборы, отводящие тепло, например, тепловые насосы. Кроме этого, магнитное охлаждение представляет интерес в новой перспективной технологии сжижения газов с целью хранения и транспортировки. Над этой проблемой работает профессор Сергей Валерьевич Таскаев и его ученики».
Физики ЧелГУ успели немало сделать для приближения будущего, в котором холодильники станут производить на основе технологии магнитного охлаждения. В частности, они первыми предложили применять микроскопический подход к описанию магнитокалорического эффекта, итогом чего стала регистрация компьютерной программы, которая позволяет рассчитывать магнитокалорические свойства в сплавах Гейслера. Ранее учёные использовали для этих целей программы, основанные на простых приближениях. Новый подход, предложенный физиками ЧелГУ, позволяет проецировать расчёты при абсолютном нуле градусов на конечные температуры, что даёт возможность предсказывать эффекты при конечных температурах.
«Поскольку большая часть наших исследований касается квантово-механических расчётов, они проводятся для температуры абсолютного нуля. А вот чтобы выйти на реальные температуры, нужны более сложные модели. Тем не менее, вопрос о практической значимости каждого нашего исследования крайне важен, – поясняет Владимир Соколовский. – Всегда радуюсь, когда наш прогноз подтверждается экспериментально. Вот в одной из работ мы показали, что добавление меди в сплав Ni-Mn-In при определённой температуре приведёт к увеличению магнитокалорического эффекта. А через год ко мне на конференции подходят физики из Турции, которые, прочитав мою статью, синтезировали такой сплав, и констатировали, что эффект подтвердился».