Ученые Челябинской области обладают уникальной инженерной разработкой холодильников нового поколения

28 Апреля 2008

Вполне возможно, что через несколько лет всем привычный холодильник на кухне резко изменится. Не столько внешне, сколько внутренне. Вместо вредного и экологически опасного газа фреона и энергопотребления, прилично ускоряющего диск электросчетчика,- небольшой магнит для получения холода и расход электроэнергии на уровне карманного фонарика.
Ближе всех в мире к созданию промышленного образца холодильника нового типа продвинулись ученые Челябинского государственного университета.

Вполне возможно, что через несколько лет всем привычный холодильник на кухне резко изменится. Не столько внешне, сколько внутренне. Вместо вредного и экологически опасного газа фреона и энергопотребления, прилично ускоряющего диск электросчетчика,- небольшой магнит для получения холода и расход электроэнергии на уровне карманного фонарика.
Ближе всех в мире к созданию промышленного образца холодильника нового типа продвинулись ученые Челябинского государственного университета.

Все началось с нуля. Абсолютного

Человечество в равной степени давно и непросто борется как за тепло, так и за холод. Холод добывался достаточно тяжело, хлопотно и затратно. Начиная от специальных погребов-ледников — там низкая температура добывалась за счет природного охладителя льда, снега с солью — и заканчивая энергетически весьма прожорливым и экологически опасным холодильником на кухне, работающим на фреоне; промышленными установками, в которых рабочее тело — ядовитый аммиак, либо гигантскими компрессорными установками — заводами, где за счет адиабатических процессов добываются жидкий азот, кислород и тому подобная продукция. Понятно, что энергетические затраты во всех этих случаях весьма ощутимы, потому обычный холод — вещь довольно дорогая.

Есть еще один вариант: получение холода на основе полупроводников, через которые пропускается электрический ток — эффект Пельтье. Но такие установки имеют весьма малую производительность в очень небольших объемах. Да и сверхчистые полупроводники — удовольствие не менее дорогое.

Ученые-физики Челябинского государственного университета, занимаясь фундаментальными исследованиями довольно экзотических по составу магнитных материалов, в которых помимо железа, марганца, кремния есть еще такие редкости, как германий, гадолиний, лантан, стали мировыми лидерами, пионерами в науке. Найден такой состав магнитного материала, что позволяет получать холод или тепло — смотря что требуется — в пределах бытовых температур, или, говоря научным языком, в температурном промежутке около 300 градусов по шкале лорда Кельвина, что примерно соответствует комнатной температуре по Цельсию.

Эффект, которым попутно занялись физики-исследователи магнитных материалов ЧелГУ, известен давно. Для магнитных материалов существует определенная температура — температура Кюри, при которой вещество перестает быть «магнитным». Именно вблизи этой температуры при изменении величины магнитного поля в магнитных материалах происходит выделение или поглощение тепла, что приводит к изменению температуры магнитного материала. Парамагнитные соли при температуре, близкой к абсолютному нулю, использовались в крохотных размерах и объемах, чтобы максимально приблизить состояние вещества к загадочному нулю градусов по Кельвину. (За это приближение получили свои звания немало нобелевских лауреатов, в том числе великий Петр Капица.) Ученые, достигая на своих установках температуры, составляющие тысячные доли от градуса Кельвина, изучали пограничные состояния вещества, например сверхтекучесть и фазовые переходы в жидком гелии, проверяли теории квантовых жидкостей. Но фундаментальные академические исследования к реальной, бытовой жизни вряд ли приложимы. Разве только в теории.

У магнитных материалов существует точка фазовых переходов, точка Кюри. Именно при ее пересечении у магнитных материалов в мощном магнитном поле и происходит скачок температур. Конечно, использовать для заморозки фарша в бытовом холодильнике жидкий гелий и сверхпроводящий магнит слишком дорого. А магнетокалорический эффект (МКЭ — именно так называется процесс охлаждения с помощью магнитного поля) происходит именно при пересечении точки Кюри, или совместном магнитоструктурном фазовом переходе. Задачка не для слабых — создать такой магнитный материал, у которого точка Кюри была бы близка к 300 градусам Кельвина, то есть на уровне «обычных комнатных температур». Наши земляки сумели найти секрет такого магнитного материала: челябинцами отработана технология получения рабочего тела, которое будет производить холод (а если нужно, то и тепло) при нормальных условиях.

Крутится-вертится…

Представим себе тончайший диск из магнитного материала, открытого челябинцами. Это что-то вроде фольги. Чтобы его вращать, достаточны усилия крохотного электромотора. В схеме еще два теплообменника. Один аккумулирует холод, другой отбирает тепло. Часть диска при вращении попадает в мощное магнитное поле небольшого постоянного магнита, сделанного на основе редкоземельного элемента неодима и некоторых других. (Эти магниты достаточно дешевы, а технология их производства давно отработана и применяется на производственном объединении «Маяк» и в Кусе, на базе бывшего завода точных технических камней.)

Магнитный материал при этом резко нагревается, а тепло забирает горячий теплообменник. Охлажденный до температуры окружающей среды диск выезжает из зоны действия магнитного поля, внутри материала происходит обратный фазовый переход, вследствие чего диск резко охлаждается. Внутренняя энергия вещества тратится на разориентацию крохотных наномагнитиков материала — доменов, потому температура и падает по отношению к окружающей среде. И уже холодный теплообменник отбирает холод.

Вот так бесшумно крутится диск магнитного материала — в магнитное поле и из него, от одного теплообменника к другому. Собственно, вот и вся физика процесса! Происходит не адиабатное расширение фреона под усилиями гудящего компрессора привычной холодильной схемы, но адиабатное перемагничивание, которое может иметь громадный по эффективности тепловой эффект МКЭ. Столь мощный МКЭ получен во всем мире только челябинскими физиками. И именно в диапазоне комнатных температур, что как раз и нужно для бытового и промышленного применения этой схемы.

Вот так, элегантно и красиво — что-то тихонечко крутится, а холодильник или нагревающий кондиционер работает с невероятно малым расходом электроэнергии. Никакого фреона, который в случае утечки (что нередко бывает в холодильных установках) улетает в стратосферу, где образует смертельно опасные озоновые дыры, через которые космический ультрафиолет сжигает все живое. Да и различные марки фреонов, тем более аммиак — яды сами по себе.

Не следует, конечно, думать, что южноуральские ученые (Игорь Бычков, Сергей Таскаев, Владимир Соколовский, Михаил Загребин) во главе с профессором Василием Бучельниковым пробивались к заветному ноу-хау в гордом одиночестве. Работа велась в тесном сотрудничестве с коллегами-соратниками: учеными Института радиотехники и электроники РАН Владимиром Шавровым, Виктором Коледовым и Владимиром Ховайло (Москва), Владимиром Плотниковым (Куса), создавшим мощные постоянные магниты и технологию получения сверхтонких пластин материала с МКЭ, а также сотрудниками государственного ракетного центра «КБ имени академика Макеева» (Миасс) Иваном Чернецом, Андреем Денисовским, Виктором Николенко, разработавшими действующий прототип устройства бытового магнитного охлаждения. Необходимо отметить, что челябинцы являются действительными членами Международного института охлаждения IIF-IIR (Франция).

Кстати, о миасских ракетчиках. Они создали столь миниатюрную действующую модель магнитного холодильника, что физики из США не могли поверить. Ни в высокую эффективность работы установки, ни в столь малые — всего десять дюймов! — размеры. Когда узнали, что установку сделали уральские ракетчики, головой покачали от зависти.

Пока у южноуральских ученых существуют лишь лабораторные образцы. Но при соответствующем финансировании такая новейшая холодильная (либо нагревательная) установка может быть запущена в производство через полтора-два года. Размещение мелкосерийного производства предполагается в технопарке ЧелГУ, с последующим перемещением на базу машиностроительных предприятий Челябинской области. К тому же новый тип холодильника, промышленного и бытового, обладает фактически нулевой экологической опасностью, а эффективная технология позволяет сделать холодильник фактически вечным — здесь очень мало движущихся частей плюс низкие рабочие частоты охлаждающего устройства, что приводит к почти полному отсутствию износа.

Если же говорить об энергопотреблении, то, по предварительным подсчетам, при реализации проекта команды Бучельникова только в Челябинской области при замене 200 тысяч холодильных агрегатов экономия столь дефицитной на Южном Урале электроэнергии составит около 15–20 мегаватт каждый час, что в денежном эквиваленте не менее 100 миллионов рублей в год.

Еще одно применение технологии магнитного холода, пока менее изученное, но потенциально не менее полезное и перспективное,- медицинское. Суть в том, чтобы с помощью состава, в котором есть нужные магнитные материалы, проводить инъекцию непосредственно в раковую опухоль. Затем — работает магнитное поле. От повышения в локальной части тела температуры белок раковых клеток сворачивается. Опухоли — конец! Без порой очень сложной операции. Конечно, разработка технологии, поиск безвредных для человека составов — дело относительно далекого будущего. Но какова идея и ее эффект сами по себе!

Конкуренты, рынки и финансы

Все крупнейшие лаборатории мира — Эймсовская лаборатория астронавтики (Висконсин, США), «Тошиба» (Йокогама, Япония), Университет Виктории (Канада), Лаборатория электротехники (Франция) и другие — сейчас усиленно бьются над этой же проблемой. Немудрено — рыночная привлекательность проектов в этой области обусловлена 35 миллиардами долларов, в которые оценивается потенциальная емкость рынка охлаждающих устройств (прогноз сделан на Международной конференции TERMAG-2005, прошедшей три года назад в Швейцарии).

Евросоюз положил на эти исследования 2,5 миллиарда евро, американцы раскошелились на 3,5 миллиарда долларов. Замечу, что в схеме магнитного холодильника усматривают еще и военное применение. Потому столь высок на Западе уровень инвестиций. Допустим, если поставить магнитную охлаждающую установку в атомную подводную лодку, то не будет абсолютно никаких акустических шумов.

ЧелГУ получил грант на свои работы в размере… 400 тысяч рублей на два года! Челябинским физикам приходится создавать свои уникальные установки буквально «на коленке», запчасти искать… на свалках, граммы гадолиния добывать по знакомству. При всем этом западная наука пока челябинцев не догнала. Подобные установки — почувствуйте разницу! — работают у европейцев и американцев лишь в лабораторном исполнении и на дорогущих магнитах-сверхпроводниках. Наши земляки используют какие-то граммы дорогого редкозема гадолиния, а за океаном крутят гадолиниевые диски чуть ли не в килограмм весом.

Это тем более обидно, что стоимость доведения технологии магнитного холодильника от стадии лабораторного образца до запуска промышленной серии оценивается всего-то в 38,5 миллиона рублей. Но таких денег сотрудники фундаментальной науки ни из какой собственной кубышки достать не могут.

Трагический парадокс состоит еще и в том, что челябинские ученые просто не могут приобрести необходимые установки для точных магнитных измерений. Конечно, такие установки в России есть, но существуют два жестких барьера. Первый — финансовый. Заказать подобные измерения образцов в научном центре «на стороне» стоит немалых денег. Второй — барьер науки оборонной. Попробуйте пронести-вынести свои образцы для промеров в закрытый научный центр! В связи с этим характеристики челябинских образцов были получены только в лаборатории Университета Тохоку в городе Сендай (Япония) старшим научным сотрудником ИРЭ РАН Владимиром Ховайло, который находился там в рабочей поездке. Так, по знакомству и совершенно бесплатно, все нужные характеристики были измерены.

Конечно, наших земляков — ученых лаборатории физического факультета ЧелГУ, даже аспирантов,- забросали самыми заманчивыми предложениями переехать на Запад и работать в тамошних лабораториях. Есть и те, кто принял такие предложения. Словом, Европа, США, Япония из кожи вон лезут, чтобы первыми дойти до стадии промышленного выпуска магнитных холодильников. До уровня ноу-хау челябинских технологий еще не добрались, но это, учитывая разницу в финансировании, всего лишь вопрос времени. И вполне может получиться так, что Россия, усилиями челябинцев мировой лидер в разработке магнитного холодильника, года через три-четыре будет вынуждена покупать эти установки в США, Китае, Японии! Впрочем, в нашей научной истории такое происходит не впервые.

На кого сегодня опирается команда Бучельникова? Пока на помощь друзей. В качестве инвесторов научно-исследовательской части проекта выступили фонд «Научный потенциал» (Великобритания), Российский фонд фундаментальных исследований, Государственный фонд естественных наук Китая, президент Российской Федерации в рамках грантов молодым ученым, Национальный научный фонд Швейцарии, министерство экономического развития Челябинской области, а также ряд других частных инвесторов и организаций. Однако, как отметил декан физического факультета ЧелГУ Сергей Таскаев (который и поведал мне историю магнитного холодильника по-челябински), без серьезной господдержки, такой, какая существует в Евросоюзе, Китае или США, такие проекты пока малоосуществимы.

Несмотря на уникальность челябинской разработки, быструю окупаемость, невеликую сумму вложений и скромную стоимость бытового магнитного холодильника при серийном выпуске (около 10 тысяч рублей), потенциальных инвесторов что-то не видно. А жаль…

Публикации на тему
Новости   
Спецпроекты