Neveras magnéticas: un frío prometedor

El rincón de la Ciencia	I.S.S.N.: 1579-1149	nº 37 (septiembre-2006)
Neveras magnéticas: un frío prometedor (RC-93)
I. Alvarez Serrano (IES Victoria Kent, Torrejón de Ardoz)

REFRIGERACIÓN CONVENCIONAL

Las máquinas de frío nacen de la necesidad de conservar los alimentos, más allá de su elaboración. Antiguamente, se recogía nieve o hielo en invierno y se guardaba durante el verano en contenedores de barro cocido o en “pozos de hielo”, unas cavidades excavadas en zonas frescas, de sombra. El primer frigorífico doméstico, ¡accionado a mano!, data de 1913 y en 1918 apareció el primer frigorífico a motor eléctrico creado por Kelvinator. En 1927 recibió la denominación de electrodoméstico, cuando General Electric sacó al mercado el modelo Monitor Top, con compresor hermético. Con el frigorífico llega una pequeña revolución: dejan de ser necesarias las especias, los salados y los ahumados para conservar la carne, y con él nace también una nueva industria.

Las neveras convencionales –como las de uso doméstico- son dispositivos capaces de enfriar; es decir, extraer el calor de los alimentos y expulsarlo al exterior (si pasamos la mano por la parte trasera de un frigorífico notamos el aire caliente). Pero, ¿cómo funcionan?

¿Cómo funciona un frigorífico? El ciclo frigorífico

El funcionamiento de un frigorífico se basa en la compresión de gases y la evaporación de líquidos; es decir, en el calor implicado en los cambios de estado. Los líquidos al evaporarse absorben calor: si estamos mojados, por ejemplo por transpiración, “nos quedamos fríos” hasta que nos secamos: el agua "roba" calor de nuestra piel para evaporarse –el llamado calor latente de vaporización-; de hecho, es éste un mecanismo del cuerpo humano para regular su temperatura. Pues bien, unas sustancias particularmente bien dotadas para estos procesos son los llamados freones o CFCs. Cuando se empezó a fabricar neveras, se usaba mayoritariamente como gas refrigerante butano (C₄H₁₀) o propano (C₃H₈) (hidrocarburos, derivados del petróleo), ambos inflamables. En 1931, DuPont incorporó los CFCs no inflamables y, en principio, inocuos. Más tarde se descubrió que son causantes del agujero en la capa de ozono estratosférico y se prohibieron a nivel mundial en 1995. En sustitución a éstos, se usan principalmente dos gases:

a) R134a, un hidrofluorocarbono, HFC poco perjudicial para la capa de ozono, pero señalado por el protocolo de Kyoto como agente contra el cambio climático (de 1000 a 3000 veces más que el dióxido de carbono, CO2). Al acabar la vida de la nevera, este refrigerante queda como residuo contaminante que debe tratarse de forma específica; La legislación europea establece que la fabricación de HCFCs tiene que ir disminuyendo progresivamente y parar a partir de 2026, pero para los HFCs no concreta ninguna medida; b) R600a: un isobutano inflamable, pero la tecnología actual permite usar en una nevera muy poca cantidad, por lo que el peligro se minimiza, no habiendo problema de residuos tóxicos al terminar la vida de la nevera.

más información sobre el problema de los CFC

Como ya se ha indicado, el proceso se basa en el calor implicado en el cambio de estado líquido-gas, por lo que un componente fundamental de cualquier frigorífico es el compresor, cuta misión es licuar el gas:

REFRIGERACIÓN MAGNÉTICA

En esta nueva forma de refrigeración se pretende sustituir el uso de refrigerantes y compresores –ruidosos, voluminosos- por otro dispositivo que se basa en la física de un fenómeno distinto: el calor asociado a algunos cambios que sufren determinadas sustancias bajo la acción de un campo magnético; éste es el llamado efecto magnetocalórico. Fue el físico alemán Emil Warburg quien se topó por  primera vez -en 1881- con este efecto: observó que una pieza de metal se calentaba al ponerla cerca de un imán potente. ¿Cómo puede explicarse este hecho?

Magnetismo en la materia

La materia suele describirse como formada por átomos y algunos de ellos (Fe, Ni, Co) se comportan como pequeños imanes; se dice entonces que tienen un momento magnético asociado (que depende del número de electrones desapareados, “sueltos”, del átomo). Normalmente, la orientación de estos imanes es al azar –paramagnetismo- pero, cuando se aplica un campo magnético adecuado, capaz de vencer la agitación térmica, los momentos se alinean y se habla de orden magnético –ferromagnetismo-. (En algunos materiales, el orden ferromagnético se alcanza, incluso sin campo externo, por debajo de una temperatura crítica, llamada temperatura de Curie; por ejemplo, la T_Curie del hierro es750ºC ). Esta transición implica un aumento de orden interno (o, alternativamente, una disminución de entropía) que lleva asociada una variación de energía, y ésta  se registra en forma de calor liberado. Por tanto, las variables que regulan este proceso, para un material dado, son el campo magnético aplicado y la temperatura. Aunque no nos detendremos en ello, merece la pena reflexionar sobre este tipo de fenómenos llamadoscooperativos: no tiene sentido preguntar si un átomo de hierro es ferromagnético, la propiedad se establece a partir de la interacción de muchos átomos juntos.

 

En vez de usar gases, se emplean sólidos magnéticos; en vez de ciclos de compresión-expansión, se trabaja con ciclos de imanación-desimanación.

La refrigeración magnética se ha usado con éxito en sistemas de licuación de gases (un ejemplo relevante, cuyo interés ha hecho avanzar mucho la investigación en este campo de forma colateral, es la licuación de hidrógeno, de punto de ebullición -253ºC ; la finalidad es licuarlo de forma barata  para usarlo como combustible), aplicaciones criogénicas y actualmente se trabaja en él como gran candidato para la refrigeración doméstica y acondicionamiento de aire. Teniendo estas ideas en cuenta, ya somos capaces de diseñar un frigorífico magnético: bastará con imanar y desimanar cíclicamente el material e incorporar adecuadamente sendos circuitos de, por ejemplo, agua capaces de:  

a) aportar el calor requerido por el material para desordenarse, en ausencia de campo; 

b) retirar el calor sobrante cuando el material se ordena, en presencia de campo. 

Un dispositivo que ya se ha utilizado en laboratorios para alcanzar temperaturas bajísimas, cercanas al cero absoluto, del orden de milésimas de grados Kelvin, emplea gadolinio (Gd) como material. Éste es un metal perteneciente a la familia de los lantánidos o tierras raras, con un momento magnético triple que el del hierro y cuya T_C = 293 K. Dicho dispositivo se basa en el llamado proceso de desimanación adiabática (es decir, con aislamiento térmico del exterior), y podría esquematizarse así:

El material, sometido a la acción de un campo magnético, está ordenado en (1). Cuando abandona dicho campo, absorbe calor (que toma del interior de la nevera, de los alimentos: por eso éstos se enfrían) y se va desordenando hasta llegar a (2). El ciclo se completa desplazando el material de nuevo hacia la zona donde está el imán: vuelve a producirse un ordenamiento que lleva asociada la expulsión de calor a la atmósfera (o a un circuito alternativo, por ejemplo de agua)

Existen otros montajes experimentales alternativos en los que, por ejemplo, la imanación-desimanación se consigue haciendo subir y bajar la muestra por un carril que se introduce en un campo magnético o lo abandona, respectivamente, de forma cíclica. En cualquier caso, se requiere un material magnético con buenas aptitudes para el efecto magnetocalórico y un campo magnético suficientemente intenso. Veamos cómo estos requerimientos delimitan el estado actual de este “frío prometedor”:  

Dificultades experimentales:

-Se necesita disponer de materiales eficaces para operar a temperaturas próximas a la ambiente.

-Es necesario alcanzar campos magnéticos de intensidad suficiente sin necesidad de utilizar superconductores (que requieren, a su vez, muy bajas temperaturas)

-Resulta una condición industrial irrenunciable el llegar a sintetizar materiales que permitan abaratar los dispositivos. En este sentido, algunos materiales que están siendo objeto de investigación actualmente son: aleaciones del tipo Gd₅Si₂Ge₂ o FeRh con diferentes dopantes, sistemasLa(Fe _1-xSi_x)₁₃, óxidos mixtos de manganeso con estructura tipo perovskita (mucho más baratos y estables), nanocomposites de hierro (capaces de trabajar a 32ºC , según se ha publicado en los últimos meses),...

Medida experimental del efecto magnetocalórico :

Puede realizarse siguiendo dos procedimientos:

-a partir de datos directos de DT, en condiciones adiabáticas, con campo magnético externo.

-a partir de la variación de la magnetización con el campo magnético a temperaturas próximas a la de Curie. Alternativamente , pueden medirse capacidades caloríficas. La expresión de Maxwell relativa a la termodinámica permite establecer posteriormente relaciones con DT.