b. Các vật liệu từ nhiệt trên cơ sở hệ MnFeP1-xAs
1.2.2. Ứng dụng của vật liệu từ nhiệt
Ứng dụng chính của vật liệu từ nhiệt là khử từ đoạn nhiệt các muối thuận từ, cho phép ta tạo nhiệt độ cực thấp (thậm chí tới 0,001K). Kỹ thuật này được sử dụng trong các thiết bị đo đạc tinh vi ở nhiệt độ thấp (ví dụ như xác định từ độ tự phát ở 0 K). Từ nhu cầu thực tế trong cơng nghệ làm lạnh, chưa có các máy lạnh hoạt động trong vùng nhiệt độ phòng bằng từ trường thương phẩm tại thời điểm hiện tại. Các thiết bị vẫn còn trong giai đoạn thử nghiệm và mục tiêu hiện nay vẫn là tìm ra các vật liệu có các đặc tính:
- Có hiệu ứng từ nhiệt khổng lồ xảy ra xung quanh nhiệt độ phòng.
- Hiệu ứng từ nhiệt phải xảy ra trong biến thiên từ trường nhỏ vì các máy móc dân dụng khơng thể tạo ra từ trường lớn. Hầu hết các vậy liệu có hiệu ứng từ nhiệt khổng lồ hiện tại đều đạt được ở từ trường lớn gây nhiều khó khăn cho ứng dụng.
- Vật liệu phải có nhiệt dung nhỏ (để tạo ra biến thiên nhiệt độ lớn, để truyền nhiệt…), chế tạo khơng q phức tạp và có độ bền trong hoạt động.
Vài chục năm trở lại đây, người ta bắt đầu nghiên cứu sử dụng vật liệu từ nhiệt cho việc làm lạnh, thay thế cho các máy lạnh truyền thống mà các máy lạnh này tồn tại một số nhược điểm sau:
- Hiệu suất thấp, tốn năng lượng. Như ta đã biết, máy lạnh cũ dùng nén-dãn khí bằng chu trình carnot, khơng thể có hiệu suất quá 40%.
- Ơ nhiễm mơi trường (do các máy lạnh này sử dụng chu trình nén khí clorofluorocarbon sỉnh ra khí CFC).
- Kích cỡ cồng kềnh.
Người ta đã tính tốn lý thuyết cho các máy lạnh sử dụng các vật liệu từ nhiệt, chúng sẽ có các ưu điểm sau:
- Hiệu suất cao (hiệu suất có thể lên tới 60%), tiết kiệm năng lượng. - Khơng ơ nhiễm vì khơng có các chất thải phụ.
- Kích thước nhỏ gọn.
Năm 1997, nhóm của V.K. Pecharsky và K.A. Gschneidner ở PTN Ammes, ĐH Tổng hợp Iowa (Mỹ) đã chế tạo thành công một máy lạnh làm lạnh bằng từ trường cho vùng nhiệt độ phịng. Dưới đây là ảnh mơ hình của chiếc máy.
Hình 1.14: Máy làm lạnh bằng từ trường cho vùng nhiệt độ phòng chế tạo năm 1997 [37].
Chiếc máy này hoạt động dưới tác dụng của nam châm siêu dẫn 5T, một cơ chế vẫn cực kỳ cồng kềnh và đắt tiền, sử dụng kim loại Gd làm vật liệu từ nhiệt. Thực tế, nó vẫn chưa khả thi khi đưa vào ứng dụng hàng ngày.
Các vật liệu từ nhiệt được nghiên cứu trên đây và sau này đều nhằm mục đích có thể sử dụng trong bất kỳ ứng dụng nào ví như để làm mát, để sưởi ấm, thay thế được các máy chạy điện thế hệ ngày nay đang được sử dụng. Kể từ giai đoạn đầu phát triển, có một số vẫn đề kỹ thuật và hiệu quả cần được phân tích. Hệ thống làm lạnh từ nhiệt gồm bơm, động cơ điện, dung dịch thứ cấp, các hình thức trao đổi nhiệt khác nhau, các nam châm và vật liệu từ tính. Các q trình này bị ảnh hưởng bởi tính thuận nghịch và đang được xem xét đầy đủ.
Thiết bị gia dụng nếu sử dụng công nghệ mới này sẽ giảm ảnh hưởng tối đa tới tầng ozone. Tuy nhiên hầu hết nam châm siêu dẫn được sử dụng để chế tạo đều phải hạ xuống nhiệt độ của ni tơ lỏng, hoặc thậm chí lạnh hơn, do vậy chi phí tương đối tốn kém. Điều này buộc phải sử dụng các chất lỏng có các điểm sơi 77,36k và 4,22k, rõ ràng là gây tốn kém chi phí và mức độ hiệu quả không cao đối với việc chế tạo sản phẩm gia dụng. Tuy nhiên trong công nghiệp và phục vụ nghiên cứu khoa học thì đây là điều cần thiết.
Những nghiên cứu gần đây cho thấy sự thay đổi entropy lớn của các hợp kim Gadolini (GdDy, GdTb) ở nhiệt độ gần nhiệt độ phòng đem lại những tín hiệu lạc quan, và các nhà khoa học vẫn tiếp tục nghiên cứu tìm cách loại bỏ một số ảnh hưởng nhiệt và từ trễ để sản phẩm của hợp kim trên trở nên hữu ích.
Năm 2001 các nhà chế tạo đã thành công khi tạo ra một máy lạnh sử dụng nam châm vĩnh cửu ở nhiệt độ phòng và hứa hẹn sử dụng rộng rãi.
Kỹ thuật này đã được sử dụng trong nhiều năm để sản xuất hệ thống làm mát. Có những hệ thống có thể làm giảm nhiệt độ xuống 4k hoặc thấp hơn. Ở Anh đã có một cơng ty tên Cambridge Magnetic Refrigeration thiết kế các hệ thống làm lạnh sử dụng hiệu ứng từ nhiệt và vật liệu từ.
Ngày 20-8-2007 phịng thí nghiệm quốc gia tại đại học Đan Mạch tuyên bố đạt được một cột mốc quan trọng trong nghiên cứu làm lạnh từ tính khi họ báo cáo một thí nghiệm trong khoảng 8,7K. Họ hy vọng có thể đưa kết quả này ra thành thương phẩm trong năm 2010.