Af Morten Andersen
Metalcylinderen er en prototype på et magnetisk køleanlæg. Programleder Nini Pryds til venstre, institutdirektør Søren Linderoth til højre.
Den vandret anbragte sølvfarvede cylinder, der er på størrelse med en velvoksen termokande, roterer roligt i sit leje. I hver ende fører et lille stålrør op til cylinderen. Straks efter at maskinen er sat i gang, kan man mærke forskel på de to rørs temperatur, når man lægger en hånd på hver af dem.
”Lige nu er røret under din venstre hånd 30 grader C, og røret under din højre hånd seks grader C,” oplyser programleder Nini Pryds fra afdelingen for brændselsceller og faststofkemi på det daværende Risø DTU, nu DTU Energikonvertering. Magnetisk køling har mange fordele frem for de typer af køling, der bruges i dag. Den største fordel er, at magnetisk køling udnytter energien særdeles effektivt. Det er både til gavn for forbrugerens elregning og for klimaet. En anden fordel er, at man slipper for at have en kompressor. Dermed undgår man mekaniske dele, der kan gå i stykker, og man undgår samtidig en kilde til støj. Det magnetiske køleskab er helt lydløst. Endelig slipper man for kølemidler, der kan være problematiske i forhold til miljø eller arbejdsmiljø. I det magnetiske køleskab kan man bruge stort set et hvilket som helst flydende stof som kølemiddel. Det mest naturlige er at vælge vand, som også er brugt i prototypen.
Virksomheder henvendte sig selv
Det har været kendt siden 1881, at man kan ændre temperaturen af et magnetisk materiale ved at udsætte det for et magnetfelt (se forklaring i boksen på næste opslag). Faktisk findes der allerede køleteknologi, som bygger på denne effekt, på markedet. Det er dog kun til helt særlige anvendelser. Et eksempel er forskningsudstyr, der skal sænke en i forvejen meget lav temperatur et ekstra nøk, så den kommer tættere på det absolutte nulpunkt. Der er ingen af de nuværende produkter, der er i stand til at give så stor en sænkning af temperaturen, som det danske forskerhold har opnået.
Mens vi andre har lettest ved at forstå køling udtrykt i grader C, foretrækker forskerne at udtrykke et apparats evne til at køle i watt.
”For eksempel er vi i stand til at opnå en køleeffekt på 120 watt, når temperaturforskellen mellem den kolde og den varme side er 18 grader C. Det svarer til, at man kan afkøle 17 øl på en time,” illustrerer Nini Pryds.
Institutdirektør Søren Linderoth, DTU Energikonvertering, forventer at kunne indgå flere samarbejdsaftaler med virksomheder, formentlig allerede i løbet af 2012:
”Det siger lidt om potentialet i opfindelsen, at vi har modtaget henvendelserne, uden at vi på nogen måde har gjort reklame for sagen. Vi har blot publiceret vores resultater i den videnskabelige litteratur og på videnskabelige konferencer,” konstaterer han.
Foto: Thorkild Amdi Christensen
Den magnetiske vinkøler
Årsagen til, at det formentlig vil være muligt at indgå aftaler med flere end en virksomhed, er, at konceptet har bred anvendelse. Det første, man tænker på, er naturligvis almindelige køleskabe. Et andet område, som også er meget stort på verdensplan, er aircondition. ”Begge dele kommer måske også en dag, men vi ved jo godt, at det er markeder med voldsom konkurrence, hvor prisen har meget stor betydning. Derfor er det nok mere sandsynligt, at man vil se de første anvendelser på mere specielle områder,” siger Søren Linderoth.
”Jeg kunne for eksempel forestille mig en vinkøler til brug på restauranter. Med magnetisk køling kan man sikre sig, at vinen har den helt rigtige temperatur. Vel at mærke uden at man har støj, varmeudvikling eller andre gener. En anden mulig anvendelse er til kølecontainere i lastbiler og på skibe, hvor det er godt at have en forureningsfri, effektiv køling, som er uafhængig af, om bilens eller skibets motor kører.”
|
PH.D.-PROJEKT I 2000 LAGDE GRUNDEN |
| Forskningen i magnetisk køling blev indledt ved DTU Energikonvertering (tidligere Risø DTU) i 2000 med et ph.d.-projekt af civil ingeniør Anders Dinesen under vejledning af Søren Linderoth. Projektet var finansieret af Statens Teknisk-Videnskabelige Forskningsråd. Siden fulgte yderligere to ph.d.-projekter, og i 2006 tog arbejdet for alvor fart takket være en bevilling til Nini Pryds fra Det Strategiske Forskningsråds programkomite for Energi og Miljø suppleret med midler fra virksomhederne Sintex og Danfoss samt DTU selv. Oprindeligt var det ambitionen at opnå en køling på mellem fem og ti grader C. Det lykkedes allerede i 2007, hvor man opnåede en sænkning på 8,7 grader, men forskerne så ingen grund til at stoppe der. I dag er gruppen i stand til at sænke temperaturen med op til 40 grader. Til langt de fleste tænkelige anvendelser kan mindre dog gøre det, og typisk kan man opnå bedre energieffektivitet med en mere behersket køling. |
Udnytter keramiske materialer
Dertil kommer en række tænkelige anvendelser, der bygger på, at man også kan bruge teknologien omvendt – som et varmeapparat.
”Jeg kunne for eksempel forestille mig magnetiske varmeapparater til elbiler. Moderne elbiler udnytter strømmen så effektivt, at der ingen spildvarme er, som bilisterne kan varme sig ved. Et magnetisk varmeapparat – der jo også er eldrevet, og som også er energieffektivt – vil høre naturligt hjemme i en elbil,” siger Søren Linderoth og sammenfatter:
”Kort sagt er der rigtig mange tænkelige anvendelser, så vi har stor tiltro til, at vi kan indgå aftaler med flere virksomheder på en måde, så vi ikke kommer i en interessekonflikt. Det samme har i øvrigt kunnet lade sig gøre for vores arbejde med brændselsceller og elektrolyse.” Netop erfaringerne fra brændselsceller og elektrolyse udgør en del af forklaringen på, at det er lykkedes at udvikle effektiv magnetisk køleteknologi. Traditionelt tænker man på metaller i forbindelse med magnetiske materialer, men i en del år har det været kendt, at en række keramiske materialer er magnetiske.
Netop keramiske materialer bruges også i den type brændselsceller (SOFC – Solid Oxide Fuel Cells) og i de elektroder, som instituttet forsker i. De keramiske materialer har den store fordel, at man i høj grad kan skræddersy dem. Dermed kan man finde et materiale, som er optimalt i forhold til netop det temperaturinterval, hvor man ønsker at maksimere sin køleeffekt til et konkret formål.
Nødvendigt at have en prototype
De keramiske materialer er dog langtfra hele hemmeligheden.
”Vores styrke er, at vi både dækker forskning i materialer og forskning i en række delkomponenter, der er nødvendige for at få teknologien til at fungere, samt forskning i designet af det samlede system. Der findes virksomheder og andre forskergrupper, som hver især er dygtige inden for et enkelt delområde, men vi er de eneste, der dækker helheden. Dermed har vi kunnet udvikle en prototype, som virker godt, og som mange virksomheder valfarter for at se. Når du har noget, som du kan vise frem, og som fungerer, bliver folk interesserede i at samarbejde med dig,” siger Søren Linderoth.
Selvom instituttet dækker næsten hele teknologien, skal det naturligvis være virksomheder, der bringer produkter på markedet, understreger Nini Pryds:
”Der er brug for et mere elegant design og for at skrumpe størrelsen af de enkelte komponenter, inden man kan markedsføre teknologien. Alt det er jo noget, som virksomhederne gør meget bedre end os.”
|
SÅDAN VIRKER MAGNETISK KØLING |
| For at forstå, hvordan et magnetfelt kan ændre temperaturen af et magnetisk materiale, må man vide, at der er en sammenhæng mellem et materiales temperatur og graden af orden i materialet. Ved en temperatur på minus 273,15 grader C ligger det absolutte nulpunkt – 0 Kelvin. Her er alt stof frosset fast. Selv ikke de enkelte atomer har mulighed for at bevæge sig. Det er den største grad af orden, man kan forestille sig. Når temperaturen stiger, vokser graden af uorden i materialet. I et magnetisk materiale sidder atomerne ordnet i en fast struktur, et såkaldt krystalgitter. Alligevel kan der godt være en høj grad af magnetisk uorden i materialet, da de enkelte atomer i gitteret kan have et magnetisk moment – de er hver især mini-magneter. Når man sætter et magnetfelt på materialet, vil alle disse små magneter orientere sig efter magnetfeltet. Der opstår pludselig en høj grad af orden. Ifølge naturlovene må materialet kompensere for den forøgede orden. Har man sørget for at isolere materialet fra omverdenen, er den eneste mulighed for at få en højere grad af uorden i materialet, at atomerne bevæger sig mere. Derved stiger temperaturen. Sørger man derefter for at have en varmeveksler, der kan optage den ekstra varme, vil temperaturen falde igen til det tidligere niveau. Der efter kan man fjerne magnetfeltet, og temperaturen vil nu falde yderligere – denne gang fordi graden af orden falder, hvilket må kompenseres, ved at atomerne bevæger sig mindre. Umiddelbart kan man kun opnå få graders ændring af temperaturen, men ved at gentage processen kan man opnå væsentligt mere. Effekten blev opdaget allerede i 1881 i jern af den tyske fysiker Emil Warburg, og siden 1920’erne har denne såkaldte magnetokaloriske effekt være brugt i forbindelse med eksperimenter, hvor man har ønsket at opnå ekstremt lave temperaturer. Det er imidlertid nyt, at man forsøger at udnytte effekten til praktiske køleformål ved normale temperaturer. |
Foto: BASF
BASF ER PÅ BANEN
Den tyske industrikoncern ser materialer til magnetisk køling som et muligt fremtidigt forretningsområde. Alle de virksomheder, der har henvendt sig til DTU Energikonvertering med henblik på muligt forskningssamarbejde om magnetisk køling, er udenlandske. De fleste af dem ønsker indtil videre at holde deres interesse skjult for konkurrenterne. Det gælder imidlertid ikke for den tyske industrikoncern BASF.
”Der er et stort potentiale i magnetisk køling. I den første fase vil det dreje sig om forskellige niche-anvendelser, men på langt sigt er der mulighed for, at magnetisk køling vil erstatte kompressorer. I så fald vil der naturligvis åbne sig enorme perspektiver,” siger senior manager Olaf Rogge, BASF Future Business GmbH.
Præcis hvordan BASF kan udnytte teknologien, er dog endnu uvist:
”I BASF Future Business arbejder vi netop med projekter, hvor der både er tale om ny teknologi og om markeder, der er nye for BASF. Vores interesse ligger på materialesiden. Vi leverer ikke materialer til kompressorer i dag, men man kan godt forestille sig, at vi kunne blive leverandører af materialer til magnetisk køling eller tilsvarende anvendelser af princippet,” siger Olaf Rogge.
Om baggrunden for, at virksomheden kontaktede DTU Energikonvertering, siger BASF-direktøren:
”Til videnskabelige konferencer møder man andre, der også interesserer sig for magnetokalorimetri. Kun en håndfuld forskningsinstitutioner har denne specifikke form for knowhow. Vi undersøgte, hvad de forskellige forskningsgrupper arbejder med, og læste deres videnskabelige publikationer. Det tiltalte os især, at gruppen på DTU Energikonvertering er stærk inden for modellering. Udvikling af optimerede magnetiske kølesystemer kan accelereres, når man kombinerer modellering af maskinernes effektivitet med de resultater, man opnår fra prototyper. Konstruktion af forbedrede apparater og videnskabelig modellering må gå hånd i hånd.”
I første omgang er der indgået aftale mellem BASF Future Business og DTU Energikonvertering om et års samarbejde.
Yderligere oplysninger: Institutdirektør Søren Linderoth, DTU Energikonvertering,