Soğutucu Gazsız Soğutma - Manyetik Soğutma *
Buzdolabınızın veya klimanızın daha verimli olup olamayacağını hiç merak ettiniz mi? Belki de etmelisiniz, çünkü enerji tüketiminin % 15 kadarı soğutma türleri için harcanırken bu değer ABD’de yaz aylarında % 50’lere kadar çıkmaktadır. Bu günlerde, hızla gelişen bir manyetik teknoloji, çevreye duyarlı gazsız ve enerji tasarrufu sağlayan soğutma şeklini mümkün kılmaktadır.
1850’lerde buhar sıkıştırmalı soğutma piyasaya sürüldüğünde, bu soğutma tipiyle verimlilik açısından rekabet edebilecek çok az teknoloji bulunmakta idi. Buna karşın, soğutma gazlarının sera etkisini artırması ve enerji tüketimi üzerindeki negatif etkisi yüzünden, katı faz soğutma üzerine yapılan araştırma ve geliştirme faaliyetleri son 10 yılda hız kazanmıştır. Her ne kadar piyasaya sunulan yarı-iletken bazlı Peltier sistemler bazı durumlar için kullanılabilse de, henüz rekabet edebilecek sistem verimliliği sunamamakta ve sadece küçük-ölçekli sistemlerde kullanılabilmektedir. Gelişmekte olan manyetik soğutma; buhar sıkıştırmadan daha verimli olan katı faz çözümünü sunarken, sera etkisine sebebiyet veren soğutucu gazlara olan ihtiyaçtan da kurtulmamızı sağlamaktadır.
Ayrıca iyimser olabilmek için sebepler de vardır. Birleşik Krallık menşeli bir KOBİ olan Camfridge firması, Londra 2012 Olimpiyatları için tasarlanacak içecek soğutucusu için, Whirlpool ile beraber ortak bir geliştirme programı anlaşması yaptığını duyurmuştu. Whirlpool gibi üreticilerin ilgisini tetikleyen, kompresör verimliliklerinin nispeten büyük soğutma güçlerinde yüksekken, domestik ve otomat buzdolapları gibi düşük soğutma güçlerinde düşük olduğunun farkında olmalarıdır. Günümüzde birçok domestik cihaz, yüksek verimliliği için kullanılan, fazlasıyla güçlü bir kompresöre sahip olup, bu kompresörü etkin kullanımını artırarak tüketimini azaltmak için sadece kısa zaman dilimlerinde kullanmaktadır. Bu yaklaşım sonucu, yeterli ısıyı az zamanda dışarıya pompalayabilmek için daha geniş bir sıcaklık aralığında çalışmak zorunda kalır. Genişleyen sıcaklık aralığı verimliliğin düşmesine neden olur.
Manyetik soğutmada durum daha farklıdır çünkü araştırmacılar düşük soğutma güçlerinde verimliliğin optimize olacağına inanmaktadırlar. Güç aralığını adapte etmek yerine, tanımlamaya daha uygun bir cihaz tasarlanabilir. Camfridge CEO’su Neil Wilson: “Manyetik soğutucuyu tasarlayarak, cihazın gerektirdiği güç seviyelerinde optimize olabilen bir sistem üretme imkânını yakaladık. Birçok domestik soğutma cihazında durum bunun tam tersidir” diyor.
Peki, bu manyetik soğutmanın arkasında ne yatmaktadır? Geleneksel soğutma sistemlerinde, ısı sıvı tarafından emilir ve buharlaştığında gaza dönüşür. Bu durum bir aeresol kutusunu kullanınca bize serinlik hissi vermesinin arkasında yatan prensiple aynıdır.
Manyetik soğutma, farklı olarak, bir soğutucunun hal değiştirmesine dayanmaktadır. Fakat bu hal değişimi sıvı ve gaz arasında değil, manyetik bir soğutucunun farklı manyetik fazlara dönüşerek sıcaklığı değiştirmesine dayanmaktadır. Pratikte bu manyetik değişim, soğutucuyu kalıcı bir mıknatısın manyetik alanı içine sokup çıkararak gerçekleştirilir. “Manyetik soğutucunun” tümü, ısı transfer eden bir akışkan kullanılarak, çevrimin belli noktalarında soğutucudan ısıyı alır veya soğutucuya ısı verir.
Bu çevrim kulağa tanıdık gelebilir. Yıllardır araştırma biliminin sıvı Helyum’un kaynama noktası olan 4,2K sıcaklığının altına inebilmek için “adyabatik mıknatıslılık giderme”yi kullandığı bilinmektedir. Paramıknatısın soğutucu olarak kullanıldığı bu proses, savunucusu olan William Giauque’ye kimya dalında Nobel Ödülü kazandırmıştır. Paramıknatıslar, makroskobik ölçekte birden faz değiştirmeyen ve manyetik alan içerisinde iken manyetik faz yerleşimlerinin quantum seviyesinde değiştiği manyetik maddelerdir. Araştırmacılar oda sıcaklığında, sabit bir mıknatısın manyetik alanı içerisinde, (1 Tesla) makroskobik ölçekte (ferromıknatıslık ve paramıknatıslık arasında) değişen malzeme tiplerine ve bu malzemeleri bir buzdolabı kompresörü eşleniğine nasıl entegre edileceğine odaklanmış durumdadırlar. Geçen yüzyılda bu konu üzerine çalışan çok az sayıda bilim adamı varken, Karl Gschneider ve Vitaly Pecharsky’nin (Iowa State Üniversitesi) sabit bir sıcaklık aralığında Gadolinyum alaşımlarının büyük bir soğutma gücü olduğunu keşfettiklerinde çalışmalar hız kazanmıştır. Soğutucu akışkan çevrimi üzerinde kanunsal araştırmaların artışı, enerji tasarrufu ve CO2 salınımı üzerindeki yaptırımlar şirketlerin ve hükümetlerin, katı-faz soğutma üzerindeki ilgilerini daha da artırmıştır. Mıknatıs üreticisi Vacuumschmelze’den Matthias Katter: “Şimdi ihtiyacımız olan şey, entegre bir yaklaşım” diyor. Katter, “Biz manyetik soğtucuları, maksimum soğutma kapasitelerini kullanabilecek şekilde yapabilmeyi, işleyebilmeyi ve şekillendirebilmeyi istiyoruz. Bu isteklerimizin gerçekleşebilmesi için, manyetik soğutma motorunun doğru modellenmesi ve tasarımının yapılması; soğutucu malzeme ve mıknatıs üreticileriyle, soğutma ve ısıtma etkilerini artıracak geri bildirimlerin paylaşılması gereklidir” diye ekliyor.
Dünya üzerinde bu tip girişimlerin sayısı her geçen gün artmaktadır. Bunlardan ilki Vacuumschmelze, Camfridge ile ısı pompası üreticisi Clivet’in; Paris, Turin, Dresden ve Londra’dan akademik araştırmacıların (makale yazarı da dahil olmak üzere) bir araya gelmesi ile oluşturulmuştur. Bu partilerin projesi olan ve Avrupa Birliği’nin FP7 girişimi tarafından finanse edilen SSEEC’de bir dizi manyetik soğutma motoru prototipi üretmişler ve bu yılın sonunda bir ısı pompası prototipinin imal edilmesi ile projeyi sonuçlandıracaklardır. Proje ayrıca, potansiyel manyetik soğutucuların, temel fiziklerinden kaynaklanan önemli problemlerine, entropik potansiyellerine ve işlenme ve ısı transferine karşı gecikme mekanizmalarına değinmiştir.
IFW Dresden’den Dr. Oliver Gutfleisch, “Malzeme fiziği, manyetik soğutucuların ticari piyasaya getirilmesi için gereken çalışmanın büyük bir kısmının temelini oluşturmaktadır” diyor. Gutfleisch, “Birçok potansiyel soğutucunun, mıknatıslanma sürecinde sadece mıknatıslıkları değil kristal yapılarının bazı özellikleri de değişmektedir. Maksimum soğutma etkisini alabilmek için, bu tip birleşik değişimlere ihtiyacımız vardır ama oluşabilecek herhangi muhtemel zararlı yan etkileri de minimize etmeliyiz” diye ekliyor.
Gutfleisch’ın altını çizmek istediği, faz değişimlerinin temel özelliği (örnek vermek gerekirse bir faz değişiminin gizli ısıya [büyük bir soğutma kapasitesinin göstergesi ve fizikçilerin ‘birinci derece’ değişim olarak isimlendirdiği] sahip olması) malzemenin birden fazla özelliğinin hızla ve aynı anda değişmesidir. Genellikle manyetik soğutucularda değişim gösterecek olan özellikler, örneğin ferromıknatıslık ve paramıknatıslık arası manyetik düzen değişimi ve atomların elastik değişimi veya kristal simetrideki değişim gibi kristal yapı değişimleridir.
Bu tip ‘akıllı’ malzemeler ‘ferromanyetik faz hafızası’ gibi araştırma alanlarında, bir sonra geçeceği fazın (ferromanyetik martensitten paramanyetik ostenite gibi) bazı aktuatör ve sensör uygulamalarında kullanıldığı için endüstri tarafından bilindiktir. Buna karşın birçok faz hafızası malzemesinin manyetik döngüleri oluşturabilmesi için bir miktar ısıtmaya gereksinim duyduğu bilinmektedir. Bu tersinmezlik bir dönüşüm gecikmesinin göstergesi olup Gutfleisch’ın sözünü ettiği yan etkidir. Daimi mıknatıslar gibi bazı uygulamalar için bu gecikme istenilen bir özelliktir ama manyetik soğutmada bir mekanizma kaybıdır ve keskin faz değişimi olan soğutucularda görülebilir. Enerji verimliliği, katı faz teknolojisinin hedeflediği faydalardan biri olduğu için, malzeme bilimcileri, kimyacılar ve fizikçiler dönüşüm gecikmesini minimize etmek ve anlamak için çalışmaktadırlar.
Neyse ki fizik aldığı kadarını verir. Dönüşüm gecikmesi dinamik bir olgu olup, kimyasal bileşim ve işleme koşulları ile değişen oldukça malzeme bağımlı bir olgudur. Bazı manyetik faz dönüşümleri, dönüşüm süresince enerji açısından elverişli ara fazlara geçme özelliğine sahip olduğundan daha düşük dönüşüm gecikmesine sahiptirler.
Bu bilgi, IFW Dresden araştımacılarının; demir, silikon ve lantan alaşımı olan aday bir metalde keşfettikleri bir bilgidir. Diğer durumlarda, dönüşüm gecikmesi; dönüşüm keskinliğinin neredeyse tamamının (ama hepsinin değil) giderilene kadar malzeme bileşiminin ayarlanması ile büyük bir oranda giderilebilir. Bu yaklaşım malzemeyi, faz dönüşümünün aniliğini ve dolayısıyla gizli ısısını koruyup bir manyetik alan altındaki tersinirliğini maksimize eden, genellikle “kritik” olarak adlandırılan rejime getirir. Delft Teknik Üniversitesi’ndeki Profesör Ekkes Brück’ün grubu, yakın bir zamanda bu yaklaşımı, Manganez ve Demir’in yanında manyetik olmayan Germanyum, Fosfor, Arsenik ve Silikonun da bulunduğu bir alaşıma uygulamada başarılı olmuştur.
Potansiyel manyetik soğutucuların manyetik ve entropik özellikleri endüstriyel gereksinimlere yaklaştıkça, işlenmeleri de şekil almaya başlamıştır.
Vacuumschmelze’den Katter: “Enerji tasarrufu ancak ısı transfer sıvısı veya sıvılarının manyetik soğutucu ile verimli bir şekilde etkileştiğinde gerçekleşebilir ve bu durum manyetik soğutucunun ince olmasını gerektirir. Katter, “Manyetik malzeme, manyetik alan içerisinde birçok Hertz’de döngüde olacaktır. Bu zaman süresince ısının malzeme içerisine girip içerisinden çıkması gereklidir. İnce katı plakalar bunun için uygun geometridedirler. Biz, doğal olarak faz dönüşümüne sahip maddelerden ve işleme sırasında meydana gelebilecek olan ilgili şekil değişimlerinden, bu geometriyi nasıl üreteceğimiz üzerine çalışmaktayız” diye ekliyor.
Araştırma laboratuvarından başlayıp, tamamıyla gelişmiş ve ticari anlamda sentezlenebilen ve işlenebilen bir hale geliştirilmesinde bu tip bir çalışma, bir sonraki adımı temsil etmektedir. Manyetik malzeme ince plakalar halinde işlenmesi gereksiniminde, etkin ısı geçişi anahtar rol oynamaktadır. Camfridge, Astronautics, Riso-DTU, Toshiba ve diğerleri; birkaç Kelvin’in tek atımlık soğutma etkisini alıp cihazın soğuk ve sıcak uçları arasındaki sıcaklık aralığına dönüştüren “rejeneratör” tasarımları ile deney yapmaktadırlar. Rejeneratör, bir ya da daha fazla ısı değiştirme sıvısının bir malzemenin yatak veya plakasında akışına izin vermekte, bu malzemenin uzunluğu boyunca hareket ettikçe artarak ısınmasını veya soğumasını mümkün kılmaktadır. Akışkanın hareket ettiği yol boyunca transfer edilen farklı miktardaki ısı, birkaç döngü sonrasında stabil bir sıcaklık farkı oluşturacaktır. Aslında, rejeneratif ısı değiştiricilerine, burunlarımızın aynı yolla havayı ciğerlerimize ulaşana kadar ısıtmasından yabancı sayılmayız.
Manyetik rejeneratörde, soğutucunun her bir bölümü kendi küçük termodinamik döngüsünde çalışmaktadır. Tipik bir domestik buzdolabının sıcaklık aralığı için (0-35˚C aralığını örnek alalım), tek bir soğutucu bileşeni yetersiz kalacaktır. Ama bu durumun bir çözümü vardır. Camfridge’den Wilson: “Manyetik soğutucuların faz dönüşümleri malzemenin bileşenleri ile oynanarak ayarlanabilirdir. Bu da çalışma sıcaklık aralığını genişletmeye ve cihazın istenilen çalışma sıcaklık aralığına ulaşmasına imkân veren basit bir yoldur” diyor. Bu çalışma detaylı sistem modelleme ve cihaz mühendisleriyle malzeme üreticileri arasında detaylı geribilgi akışını gerektiren, geliştirme zincirinin diğer bir anahtar basamağıdır. Bunlara ek olarak, soğutucuların yönlendiricisi olan daimi mıknatıs kullanımının minimize edilmesi çok önem arz atmektedir. Bu yüzden, odaklanılan manyetik alan serilerinin, demanyetizasyon etkilerinin ve manyetik alan-hacim profillerinin modellenmesi göz önünde bulundurulmalıdır.
İlk bakışta çok büyük bir çalışma gerektirdiği görülse de katı faz soğutmasının tümü bu çalışmalara değerdir. Yakın bir zamanda yapılan bir araştırmaya göre, 2050 yılına kadar gerçekleşecek CO2 emisyonunda hidroflorokarbonların payının % 28 ile % 45 arasında gerçekleşeceği tahmin edilmektedir. Soğutmanın lider markalarının gerçekleştirdiği araştırma yoğunluğuna ve ticari ilgiye bakılırsa, manyetik soğutucuları satışta görmemize çok da uzun bir süre kalmadı. Bu süre içerisinde araştırmacıların ve mühendislerin karşılaştığı zorluklar, manyetik soğutucuların faz dönüşümlerinin nasıl uygun hale getirileceğinin ve tasarlanacağının sorgulandığı yeni bir disiplinlerarası araştırma sahası ortaya çıkarmıştır.
Soğutucu dizaynına “sondan başa” yaklaşımı için kapsam vardır, çünkü temel araştırmalar nano-ölçekteki farklı malzeme faz etkileşimlerinin, faz dönüşümleri meydana getirdiğini göstermektedir. Kısaca, evlerimizdeki buzdolapları bizi manyetizmaya farklı yönden bakmaya itmektedir. Bir dahakine soğuk bir içecek aldığınızda, içeceğinizi manyetik olarak soğutmaya çalışanların şerefine kaldırın.
