کاربرد آهنرباهای NdFeB در فناوری تبرید مغناطیسی و تنگناهای فنی فعلی
کاربرد آهنرباهای NdFeB در فناوری تبرید مغناطیسی
تولید میدان‌های مغناطیسی قوی
آهنرباهای NdFeB دارای انرژی مغناطیسی بسیار بالایی هستند که به آنها امکان تولید میدان‌های مغناطیسی قوی را می‌دهد. در سیستم‌های تبرید مغناطیسی، یک میدان مغناطیسی قوی و پایدار برای القای اثر مگنتوکالریک قابل توجه در مواد مگنتوکالریک ضروری است. برای مثال، آهنرباهای دائمی از نوع NdFeB برای تولید حداکثر میدان مغناطیسی 0.9 تسلا در شکاف هوایی در حداکثر دمای دهانه 11 کلوین استفاده شده‌اند. این میدان مغناطیسی قوی می‌تواند باعث تغییر دمای قابل توجهی در ماده مگنتوکالریک شود و انتقال حرارت و خنک‌سازی کارآمد را امکان‌پذیر سازد.
طراحی جمع و جور و چگالی توان بالا
قدرت مغناطیسی بالای آهنرباهای NdFeB امکان طراحی سیستم‌های تبرید مغناطیسی فشرده را فراهم می‌کند. در مقایسه با انواع دیگر آهنرباها، آهنرباهای NdFeB می‌توانند میدان مغناطیسی یکسانی را با حجم و وزن کمتری تولید کنند. این امر به ویژه برای یخچال‌های مغناطیسی با دمای اتاق، که اغلب با محدودیت فضا مواجه هستند، مفید است. طراحی جمع و جور همچنین منجر به چگالی توان بالاتر می‌شود، به این معنی که می‌توان به ظرفیت خنک‌سازی بیشتری در یک حجم مشخص دست یافت و این فناوری را برای کاربردهای دنیای واقعی کاربردی‌تر می‌کند.
بازیافت و پایداری
علاقه روزافزونی به استفاده از آهنرباهای بازیافتی NdFeB در سیستم‌های تبرید مغناطیسی وجود دارد. بازیافت آهنرباهای NdFeB نه تنها اثرات زیست‌محیطی مرتبط با استخراج و فرآوری عناصر کمیاب خاکی را کاهش می‌دهد، بلکه به کاهش هزینه فناوری تبرید مغناطیسی نیز کمک می‌کند. یک دستگاه خنک‌کننده مغناطیسی با استفاده از آهنرباهای NdFeB بازیافتی ساخته شده است. “زمین کمیاب رایگان” ماده مگنتوکالریک La - Fe - Si، که امکان‌سنجی خنک‌سازی مغناطیسی سبز را نشان می‌دهد. با بهینه‌سازی آهنرباها و هندسه آنها، می‌توان ردپای اکولوژیکی سیستم‌های تبرید مغناطیسی را بیشتر کاهش داد.
تنگناهای فنی فعلی
قدرت و یکنواختی میدان مغناطیسی
اگرچه آهنرباهای NdFeB می‌توانند میدان‌های مغناطیسی قوی ایجاد کنند، اما دستیابی به یک میدان مغناطیسی بسیار یکنواخت در یک حجم کاری بزرگ همچنان یک چالش است. در سیستم‌های تبرید مغناطیسی، یک میدان مغناطیسی یکنواخت برای اطمینان از اینکه تمام قسمت‌های ماده مگنتوکالریک تغییر میدان مغناطیسی یکسانی را تجربه می‌کنند، بسیار مهم است، که برای خنک‌سازی کارآمد و مداوم ضروری است. میدان‌های مغناطیسی غیر یکنواخت می‌توانند منجر به تغییرات موضعی در اثر مگنتوکالریک شوند و راندمان خنک‌سازی کلی سیستم را کاهش دهند. برای پرداختن به این موضوع، محققان در حال بررسی طرح‌های پیشرفته آهنربا، مانند آرایه‌های هالباخ، هستند که می‌توانند یکنواختی میدان مغناطیسی را در مناطق خاص افزایش دهند.
پایداری دمایی آهنرباهای NdFeB
خواص مغناطیسی آهنرباهای NdFeB وابسته به دما است. ضریب دمایی وادارندگی ذاتی (نحوه تغییر Hci با دما) برای نئودیمیم تقریباً 0.6- درصد بر درجه سانتیگراد (از دمای محیط، با محدوده‌ای از 0.45- درصد بر درجه سانتیگراد تا 0.6- درصد بر درجه سانتیگراد بسته به گرید نئودیمیم) بین 20+ تا 120+ درجه سانتیگراد است. این بدان معناست که با تغییر دما، قدرت مغناطیسی و وادارندگی آهنرباهای NdFeB می‌تواند تغییر کند، که می‌تواند بر عملکرد سیستم تبرید مغناطیسی تأثیر بگذارد. در یخچال‌های مغناطیسی دمای اتاق، که دمای کارکرد ممکن است نوسان داشته باشد، حفظ پایداری خواص مغناطیسی آهنرباهای NdFeB برای خنک‌سازی مطمئن و کارآمد ضروری است. محققان در حال کار بر روی توسعه آهنرباهای NdFeB با پایداری دمایی بهبود یافته از طریق اصلاح مواد و فناوری‌های پوشش‌دهی هستند.
سازگاری مواد مغناطیسی-کالری
عملکرد یک سیستم تبرید مغناطیسی نه تنها به خواص آهنرباهای NdFeB، بلکه به سازگاری با مواد مگنتوکالریک نیز بستگی دارد. مواد مگنتوکالریک اجزای کلیدی هستند که برای دستیابی به سرمایش، تحت اثر مگنتوکالریک قرار می‌گیرند. در حال حاضر، مواد مغناطیسی مورد استفاده در فناوری تبرید مغناطیسی، تغییرات آنتروپی مغناطیسی کمی دارند که منجر به اختلاف دمای محدودی می‌شود که در طول هر چرخه تبرید مغناطیسی ایجاد می‌شود. توسعه مواد مگنتوکالریک با تغییرات آنتروپی مغناطیسی بالاتر که از نظر الزامات میدان مغناطیسی و خواص حرارتی با آهنرباهای NdFeB نیز سازگار باشند، یک چالش بزرگ است. برای مثال، برخی از مواد مگنتوکالریک ممکن است برای دستیابی به اثرات خنک‌کنندگی قابل توجه، به میدان‌های مغناطیسی بسیار بالایی نیاز داشته باشند که ممکن است از قابلیت‌های آهنرباهای NdFeB فراتر رود یا تولید یکنواخت آنها دشوار باشد.
هزینه و در دسترس بودن عناصر کمیاب خاکی
آهنرباهای NdFeB حاوی عناصر خاکی کمیاب مانند نئودیمیم و دیسپروزیم هستند که نسبتاً کمیاب و گران هستند. هزینه بالای این عناصر کمیاب خاکی، در هزینه کلی آهنرباهای NdFeB و در نتیجه، هزینه سیستم‌های تبرید مغناطیسی نقش دارد. علاوه بر این، عرضه عناصر خاکی کمیاب تابع نوسانات ژئوپلیتیکی و بازار است که می‌تواند خطراتی را برای تجاری‌سازی گسترده فناوری تبرید مغناطیسی ایجاد کند. برای غلبه بر این چالش‌ها، محققان در حال بررسی مواد مگنتوکالریک جایگزین هستند که به عناصر خاکی کمیاب متکی نباشند و روش‌های بازیافت کارآمدتری را برای عناصر خاکی کمیاب از محصولات فرسوده توسعه می‌دهند.
نتیجه‌گیری
آهنرباهای NdFeB به دلیل توانایی‌شان در تولید میدان‌های مغناطیسی قوی، امکان طراحی‌های جمع‌وجور و پشتیبانی از بازیافت و پایداری، پتانسیل قابل توجهی برای کاربرد در فناوری تبرید مغناطیسی، از جمله یخچال‌های مغناطیسی دمای اتاق، دارند. با این حال، چندین تنگنای فنی، مانند قدرت و یکنواختی میدان مغناطیسی، پایداری دما، سازگاری مواد مگنتوکالریک و هزینه و در دسترس بودن عناصر خاکی کمیاب، باید مورد توجه قرار گیرند. تحقیق و توسعه مداوم در طراحی آهنربا، علم مواد و فناوری‌های بازیافت برای غلبه بر این چالش‌ها و تحقق پتانسیل کامل سیستم‌های تبرید مغناطیسی مبتنی بر NdFeB ضروری است.
