Заменит ли магнитное охлаждение фреоны?

• 18 Февраля 2017

Опубликованная в прошлом году в американском научном журнале статья группы дагестанских физиков привлекла внимание специалистов во всем мире.

Как следует из статьи, решена проблема, над которой долгие годы бьются ученые всего мира, работающие в области физики низких температур: наконец-то удалось экспериментально исследовать изменение магнитокалорических свойств некоторых сплавов при длительном воздействии на них сильных переменных магнитных полей.

Непосвященному это мало о чем говорит. Но если выводы, приведенные в статье, верны, то полученные данные способны привести к революционному технологическому прорыву в области бытовой электроники. Речь идет о замене фреона, который сейчас используется в качестве охлаждающего элемента, новым, более экологичным и экономичным материалом.

Корреспондент газеты «Дагестанская правда» Абдулла Сулейманов взял интервью у одного из авторов работы – руководителя лаборатории Института физики ДНЦ РАН Ахмедом Алиевым. Он возглавляет коллектив ученых-исследователей, занимающихся данной проблемой.

– Ахмед Магомедович, в чем суть задачи, стоящей перед учеными, которые занимаются этой проблемой?

Есть и другая, экономическая причина. Этот охлаждающий элемент требует больших затрат энергии. С учетом огромного количества всевозможных бытовых и промышленных приборов, работающих в режиме охлаждения, повышение эффективности даже на один процент приведет к огромной экономии электроэнергии.

Давно известно, что магнитные материалы при помещении их в магнитное поле меняют свою температуру (так называемый магнитокалорический эффект). В ходе поисков ученые обнаружили, что у некоторых магнитных материалов этот эффект такой величины, что на его основе можно создать холодильные машины, которые будут эффективнее традиционных, использующих фреон. В настоящее время известно несколько классов таких материалов.

Их применение приведет к упрощению конструкции аппарата, так как, в отличие от холодильников, использующих фреон, здесь не будет нужен компрессор. Холодильные машины будут более долговечными и надежными, менее шумными и энергетически более эффективными.

Данными разработками интересуются и представители космической отрасли. НАСА выдало пожизненный грант в размере нескольких миллионов долларов в год американскому ученому Шнайдеру на решение данной проблемы. Интерес космического агентства вызван тем, что использование охлаждающих систем на фреоне на космических кораблях небезопасно и в случае утечки фреона может привести к трагедии. Кроме того, в аэрокосмической области большое значение имеют масса и размеры охлаждающих систем, а магнитные холодильные машины можно сделать весьма компактными.

В мире созданы десятки прототипов на базе этих материалов, но пока это примитивные и очень дорогостоящие устройства. До массового их использования далеко.

– А каков вклад ваш и ваших коллег в решение данной проблемы?

- Ранее тестовые образцы исследовали или в постоянных магнитных полях, или при разовых циклах изменения магнитного поля, т.е. в условиях, далеких от тех, которые имеют место при практическом использовании. Мы же впервые протестировали некоторые классы магнитокалорических материалов в тех условиях, которые будут в реальных холодильниках. В качестве одного из образцов для исследований нами был выбран сплав Fe-Rh (сплав железа и родия).

Так вот, если до этого его удалось охладить при введении в магнитное поле на величину в 10 градусов Цельсия, то нами была достигнута величина в 20 градусов. Никогда ранее во всем мире не удавалось охладить какие-либо материалы на такую величину за один цикл изменения магнитного поля.

– Как удалось достичь такого результата?

- Примерно 8 лет назад наши коллеги из испанского университета г. Овьедо, с которыми мы сотрудничаем, любезно предоставили нам для исследований образцы магнитных сплавов толщиной в несколько микрон. Но проблема была в том, что не было в мире методики, позволяющей проводить прямые измерения магнитокалорического эффекта столь малых образцов. Магнитокалорические свойства таких материалов оценивали косвенным методом посредством измерений других характеристик. Мы же решили попробовать решить эту проблему и вскоре поняли, если вместо постоянных магнитных полей использовать переменные, можно в десятки и сотни раз повысить точность проводимых измерений. В результате из подручных материалов создали проект уникальной установки по собственному ноу-хау. Немного позже центр коллективного пользования ДНЦ РАН вместе с нашей группой выиграл один крупный грант. На эти средства был куплен источник сильного магнитного поля. Мы приспособили нашу методику измерений к этому источнику поля, и одним из первых образцов, исследованных на новой установке в сильных полях, и был сплав железо-родий.

– В чем ее уникальность?

- Как я уже говорил, она не только позволяет охладить элементы до ранее невиданных величин, но и дает возможность проводить измерения с большой точностью, до тысячных долей градуса. Когда я впервые на одной из научных конференций привел такие цифры, это вызвало возмущение со стороны моих коллег, посчитавших, что я ввожу их в заблуждение. Но, ознакомившись с выкладками поближе, вынуждены были признать нашу правоту. Кроме того, наша методика позволяет проводить измерения как в сильных, так и в очень слабых магнитных полях. Своими силами мы создали несколько уникальных источников переменных магнитных полей.

Это результат работы группы сотрудников лаборатории физики низких температур и магнетизма Института физики. Хотел бы назвать своих коллег, с которыми мы работаем над данной тематикой. Это главный научный сотрудник, доктор физико-математических наук Ахмед Батдалов, старший научный сотрудник, кандидат физико-математических наук Адлер Гамзатов, кандидат физико-математических наук Абдулкарим Амиров, научный сотрудник Лазер Ханов. Хочу также отметить, что свои исследования мы проводили в сотрудничестве со многими научными коллективами России и мира, работающими над этой проблемой. Особенно тесное взаимодействие у нас сложилось с группой В.Г. Шарова и В.В. Коледова, ученых из Московского института радиотехники и электроники РАН.

Окончательные результаты исследований мы изложили в статье, которая была опубликована в авторитетном научном журнале, издающемся в США «Письма в журнал прикладной физики». Статья вызвала большой интерес. Об этом можно судить по тому, что за небольшой промежуток времени после выхода статьи ее скачали более сотни раз. Ждем отклика наших коллег.

– Как далеко продвинулись ученые в решении задачи по поиску альтернативы фреону?

- Пока все находится на стадии опытов. Как я уже говорил, все исследуемые материалы очень дорогие. Сейчас ученые группы, занятые данной тематикой, в том числе и мы, ищем более дешевые аналоги. В частности, когда мы участвовали в научно-практической конференции в Белоруссии, местные коллеги поделились с нами материалами, разрабатываемыми в лабораторных условиях. Мы будем исследовать свойства этих материалов.

А вообще хотим исследовать в переменных магнитных полях все классы магнитокалорических материалов, чтобы выявить из них наиболее перспективные. На данном этапе наиболее перспективным представляется такой материал, как сплав марганец-арсенид. Он удовлетворяет требования безопасности и дешевизны и обладает большой величиной магнитокалорического эффекта. Но свойства этого материала в переменных магнитных полях в настоящее время не исследованы, и в течение месяца мы проверим его поведение в условиях, приближенных к реальным.

– А как обстоят дела с финансовой поддержкой ваших изысканий?

- К сожалению, в России особой поддержки таких исследований пока нет. Расходы на содержание научных учреждений сокращаются. Средства выделяются на удовлетворение повседневных нужд: зарплата сотрудникам, налоги и т.д. На научные изыскания деньги практически не выделяются, причем достаточно давно. Остается надежда на грантовую поддержку со стороны научных фондов. Сотрудники нашей группы регулярно выигрывают гранты Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ). В частности, в 2016 году мы успешно завершили грант, руководителем которого был я. Подали заявку на новый грант, в ближайшие дни ожидаем результат.

Средний объем гранта РФФИ – 500 тысяч рублей. Много это или мало для научной группы из 5-6 человек? С учетом того, что на эти деньги нужно ездить в командировки, покупать оборудование, – это совсем немного.

Более весомая поддержка ожидается со стороны недавно созданного Российского научного фонда. Сумма грантов может достигать 5-6 млн рублей. Мы отправили свою заявку, результат будет известен в апреле.

– Можно ли рассчитывать на иностранную помощь?

- В свое время мы получали гранты от научного фонда ИНТАС (Международная ассоциация по содействию сотрудничеству с учёными новых независимых государств бывшего Советского Союза). В рамках поддержанного этим фондом гранта мы выполняли совместные исследования с учеными из Германии и Дании. Но несколько лет назад фонд прекратил существование. Сейчас российские научные фонды регулярно проводят конкурсы научных проектов совместно с различными иностранными научными фондами. В частности, наша группа подала совместную заявку на грант с исследовательской группой из Ирана, на днях узнаем результат. В прошлом году подавали совместную заявку в Российский научный фонд с коллегами из Индии. Наша заявка получила очень высокие оценки экспертов, не было ни одного замечания по научной части проекта. Но проект не получил поддержку, видимо, в том числе из-за очень высокого конкурса по физике: на несколько грантов претендовало более полусотни заявок.

– Мне кажется, наибольший интерес должны проявлять производители бытовой техники…

- Они действительно интересуются. К примеру, Samsung, Bosch, LG очень внимательно следят за нашими разработками. В том числе и за теми, которые ведутся в Дагестане. Об этом мне говорили наши американские коллеги. По их словам, с просьбой оценить наши исследования к ним обратились представители Samsung. Но они ждут, когда будет создан более или менее реальный прототип. Кто первый сделает это, тот будет самым востребованным специалистом для корпораций.

… Когда-то Дагестан гордился не только своими спортсменами, но и учеными. Та же самая физико-математическая школа была одной из лучших в стране. Пока мы по-прежнему держимся на базе, заложенной в советское время, а ученые добиваются каких-то результатов не благодаря, а вопреки. Может, пора наконец повернуться в сторону науки, пока все серьезные специалисты не разъехались за рубеж?

Источник