Réfrigération magnétique

La réfrigération magnétique est un système de « réduction d'entropie d'un matériau paramagnétique »[1], reposant sur la propriété physique de certains matériaux magnétiques qui voient leur température intrinsèque s'élever quand ils sont soumis à un champ magnétique. Ce phénomène dénommé effet magnétocalorique (ou « EMC ») est maximum lorsque la température du matériau est proche de sa température de Curie. « Cet effet repose sur la transition critique paramagnétique/ferromagnétique du matériau, qui se traduit par une augmentation de la température lorsqu'on lui applique rapidement un champ magnétique ; inversement la désaimantation entraîne un refroidissement » (Mira 2012 [2]).

Depuis au moins les années 1990, avec par exemple Ashley qui annonce « les frigos du futur »[3], certains auteurs et prospectivistes estiment qu'il s'agit sans doute ou certainement d'une révolution pour le proche avenir dans le domaine des technologies vertes pour la production de froid et les systèmes de froid[4] avec un rendement meilleur que celui des systèmes à compression utilisant des fluides tous plus ou moins polluants et/ou inflammables.

Principe

En théorie, seuls certains matériaux magnétiques tel le gadolinium, l'arsenic ou certains alliages présentent un saut de température suffisant pour pouvoir être exploités dans le domaine du froid magnétique. Ces corps purs possèdent une température de Curie proche de la température ambiante (293 K = 20 °C) et un EMC géant, notamment le gadolinium. C'est pourquoi, ce dernier est souvent utilisé dans les démonstrateurs de « frigo magnétique ». Toutefois, ce matériau est rare et coûteux et l'arsenic, lui, est très toxique.

La récente mise au point d'alliages à base de cobalt, manganèse[5], silicium et germanium ou de céramiques et de terres rares présentant des propriétés analogues rendent désormais possible la réalisation et la mise sur le marché de réfrigérateurs magnétiques silencieux et écologiques destinés au grand public. Ils ne contiennent aucun gaz destructeur de la couche d'ozone, gaz à effet de serre, ou gaz dangereux ou toxique, et sont économiques (car à haut rendement)[6].

En 2009 le principal obstacle à une industrialisation est le besoin d'un champ magnétique très élevé (de l'ordre de 5 teslas) qu'il faut générer pour obtenir un rendement intéressant[7].

Fonctionnement

Deux principales techniques sont déjà utilisées, qui utilisent toutes deux la désaimantation adiabatique[8],[9].

La première technique est utilisée afin d'atteindre des températures pas trop basses, pour la réfrigération à température ambiante par exemple. Elle se fonde sur le cycle suivant :

  1. aimantation adiabatique : au départ, le matériau est en équilibre thermique avec le système à réfrigérer. Puis, on élève la température du matériau au-dessus de celle du réservoir chaud en lui appliquant un champ magnétique  ;
  2. transfert isomagnétique d'entropie : en gardant constant, le matériau est mis en contact thermique avec le réservoir chaud. De l'énergie thermique est alors transférée du matériau vers le réservoir ;
  3. désaimantation adiabatique : le matériau est à nouveau isolé thermiquement. On ramène à zéro. Le matériau voit donc sa température baisser en dessous de celle du système à réfrigérer ;
  4. transfert isomagnétique d'entropie : le matériau est maintenant mis en contact thermique avec le système à réfrigérer. Il en résulte un transfert d'énergie thermique du système vers le matériau jusqu'à ce que l'équilibre thermique s'établisse. Le cycle peut alors recommencer.

Le principal désavantage de ce cycle est que la température du paramagnétique doit descendre au-dessous de la température que l'on souhaite faire atteindre au système à réfrigérer. Elle ne permet donc pas d'atteindre des températures très basses.

La seconde technique contourne ce problème grâce à un cycle différent qui a permis d'atteindre les températures les plus proches du zéro absolu. Elle se fonde sur le cycle suivant[10] :

  1. aimantation adiabatique : l'intensité du champ magnétique est augmentée de manière à ajuster la température du matériau à celle du réservoir chaud ;
  2. transfert isotherme d'entropie : le matériau est mis en contact thermique avec le réservoir chaud. L'intensité de est augmentée lentement de manière à avoir un transfert d'entropie du matériau vers le réservoir chaud à température constante ;
  3. désaimantation adiabatique : on isole le matériau thermiquement puis on baisse rapidement l'intensité de pour ajuster la température du matériau à celle du système à réfrigérer ;
  4. transfert isotherme d'entropie : le matériau est mis en contact thermique avec le système à réfrigérer. On diminue lentement l'intensité de de façon à avoir un transfert d'entropie du système vers le matériau à température constante. Le cycle peut alors recommencer.

L'efficacité d'un tel cycle dépend essentiellement de deux paramètres : la variation de température à entropie constante du matériau paramagnétique () et la variation d'entropie à température constante (), c'est-à-dire de la quantité d'entropie que peut absorber ou rejeter le matériau à température donnée.

Un réfrigérateur magnétique pourrait aussi être associé à un réfrigérateur à gaz (en cascade ou en parallèle)[11].

Utilisations actuelles ou espérées

Les promoteurs de cette technique espèrent pouvoir :

  • réduire la consommation d'électricité liée à la production de froid (environ 15% de la consommation mondiale d’électricité au début du XXIe siècle)[2] ;
  • inventer de nouveaux moyens d'alimenter des réseaux de froids (de quartiers ou de bâtiments[12]), des frigos individuels, des systèmes de liquéfaction des gaz[13] ou encore des systèmes embarqués (ex climatisation de voiture[14]), sans fluides frigorigènes dangereux, chers ou polluants.

Limites

Les effets de l'exposition chronique d'organismes vivants à certains champs électromagnétiques sont encore discutés, et mal connus pour de nombreuses espèces.

Recherche

Pour une utilisation fiable et à grande échelle, des chercheurs explorent, caractérisent et modélisent[15] les aspects magnéto-statique, magnéto-calorique et thermo-fluidique, éventuellement à l'échelle de nanomatériaux ou dans le domaine des terres rares[16].

Il faudrait notamment trouver des matériaux non polluants, stables et peu couteux, miniaturiser et sécuriser les systèmes d'induction magnétique qui doivent si possible être produits avec des éco-matériaux ou des matériaux facilement recyclables, sans interférer avec l'environnement proche, tout en assurant une montée rapide en induction, puis une induction constante, puis une décroissance rapide de l’induction puis une phase d'induction nulle, ceci de manière répétée durant toute la durée de vie du matériel réfrigérant.

Il s'agit aussi de développer des mini- et micro-échangeurs thermiques[17], d'étudier et évaluer le vieillissement et notamment la résistance à la corrosion (à moyen et long terme) des matériaux magnéto-caloriques en contact avec le fluide caloporteur et soumis à des cycles de aimantation/désaimantation[18].

En France, l'Institut polytechnique de Grenoble fait partie des unités de recherche en pointe sur cette question, mais d'autres structures sont également intéressées par ces questions, dont par exemple l'INRIA (voir bibliographie, plus bas).

Notes et références
  1. Luchier, N. (2009) Technologies sub Kelvin. Commissariat à l’énergie atomique, 25 mai 2009, PDF, 30 pages.
  2. Mira A (2012). Modélisation multi physique d’un système de réfrigération magnétique (Fiche/thèse).
  3. Ashley, S. (1994). Fridge of the future (cours traitant du réfrigérateur à adsorption (250-300 mK) et de la réfrigération magnétique (quelques dizaines de milliKelvins) ; deux techniques de réfrigération sous le Kelvin) Mechanical engineering, 116(12), 76-80.
  4. Muller C (2004) Réfrigération magnétique, une révolution pour demain ?. Revue pratique du froid et du conditionnement d'air, (924), 59-63.
  5. Recour Q (2012) Étude des propriétés structurales, magnétiques et magnétocaloriques de Mn3Sn2 et de ses dérivés (Doctoral dissertation, Université de Lorraine).
  6. futura-sciences 03.10.06.
  7. Article : "Transition-metal-based magnetic refrigerants for room-temperature applications", O. Tegus, K. H. J. Buschow, F. R. de Boer, E. BrÜck, Nature 415, 150-152 (10 January 2002).
  8. Article : "Ambient pressure colossal magnetocaloric effect tuned by composition in MnFeAs", Ariana de Campos, Daniel L Rocco, Alexandre Magnus G. Carvalho, Luana Caron, Adelino A. Coelho, Luzeli M. da Silva, FlÁvio C. G. Gandra, Adenilson O. dos Santos, Lisandro P. Cardoso, Pedro J. von Ranke, Nature Materials 5, 802-804 (3 September 2006).
  9. Article : "Reduction of hysteresis losses in the magnetic refrigerant GdGeSi by the addition of iron", Alexander J. Shapiro, Robert D. Shull, Virgil Provenzano, Nature 429, 853-857 (24 June 2004).
  10. Voir : F. Rief, Statistical and Thermal Physics, McGram-Hill editions, 1985. (ISBN 0-07-085615-X).
  11. Lacaze A (1985) Contribution à l'étude de la réfrigération magnétique aux températures de l'hélium liquide (Doctoral dissertation) (résumé/fiche Inist-CNRS).
  12. Dupuis, C., Kedous-Lebouc, A., Fruchart, D., & Yonnet, J. P. (2007). Réfrigération magnétique à aimants permanents pour la climatisation des bâtiments.
  13. Belkadi M (2012) Liquéfaction du gaz naturel par le procédé de la réfrigération magnétique (Doctoral dissertation, École nationale supérieure polytechnique) (résumé).
  14. Allab F (2008) Conception et réalisation d’un dispositif de réfrigération magnétique basé sur l’effet magnétocalorique et dédié a la climatisation automobile. Thèse de doctorat, Grenoble, Institut National Polytechnique de Grenoble.
  15. Legait U (2011) Caractérisation et modélisation magnétothermique appliquée à la réfrigération magnétique (Doctoral dissertation, Université de Grenoble).
  16. Mayer C (2011) Nouveaux matériaux magnétocaloriques à base de terres rares pour la réfrigération magnétique (Doctoral dissertation, Université Sciences et Technologies-Bordeaux I).
  17. Cramet N (2006) Conception innovante de différents minis & micro-échangeurs thermiques pour le Froid Magnétique (résumé).
  18. Chennabasappa, M. (2013). Étude du vieillissement de matériaux magnétocaloriques (Doctoral dissertation, Bordeaux 1) (résumé).

Voir aussi

Articles connexes

Liens externes

Bibliographie
  • Allab F (2008) http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/37/38/45/PDF/allab_farid_these.pdf Étude et conception d'un dispositif de réfrigération magnétique basé sur l'effet magnétocalorique géant] (Doctoral dissertation, Institut National Polytechnique de Grenoble-INPG).
  • Allab, F., Clot, P., Viallet, D., Lebouc, A., Fournier, J. M., & Yonnet, J. P. (2003). Dispositif à aimants permanents pour l'étude de la réfrigération magnétique active : Les matériaux en génie électrique. REE. Revue de l'électricité et de l'électronique, (9), 43-46 (résumé).
  • Bouchard J (2008) Caractérisation d'un régénérateur ferromagnétique poreux utilisé en réfrigération magnétique. ProQuest.
  • Bouchekara, H., Kedous-Lebouc, A., Yonnet, J. P., & Coulomb, J. L. (2008) Modélisation et Optimisation d'un Système Rotatif de Réfrigération Magnétique à Cycle Thermique Direct. MGE 2008 : Matériaux du Génie Électrique
  • Mira A (2012). Modélisation multi physique d’un système de réfrigération magnétique (Fiche/thèse).
  • Auracher H (2006) Magnetic Refrigeration at Room Temperature Edited By H. Auracher and PW Egolf. International Journal of Refrigeration, 29(8), 1235-1238.
  • Balli, M. (2012). Étude structurale et magnétique en vue de la mise en œuvre de nouveaux matériaux à effet magnétocalorique géant (Doctoral dissertation, Université Joseph Fourier).
  • Bouchekara, H., Kedous-Lebouc, A., Dupuis, C., Coulomb, J. L., & Yonnet, J. P. (2008). Le froid magnétique : modélisation et optimisation thermique de la réfrigération magnétique à régénération active. MGE 2008 : Matériaux du Génie Électrique.
  • Bouchekara H (2008) Recherche sur les systèmes de réfrigeration magnétique. Modélisation Numéique, Conception et Optimisation, Ph. D. Thesis, Institut National Polytechnique de Grenoble
  • Debnath, J. C., Zeng, R., Strydom, A. M., Wang, J. Q., & Dou, S. X. (2013) Ideal Ericsson cycle magnetocaloric effect in (La0. 9Gd0. 1) 0.67 Sr0. 33MnO3 single crystalline nanoparticles. Journal of alloys and compounds, 555, 33-38 (résumé).
  • Dupuis C (2011) Matériaux à effet magnétocalorique géant et systèmes de réfrigération magnétique (Doctoral dissertation, Institut National Polytechnique de Grenoble).
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  • Ihou-Mouko H (2006) Effets de valence dans les composés base manganèse isotypes de HfFe6Ge6 ou ses variantes : Matériaux magnétoréfrigérants (Doctoral dissertation, Nancy 1). (résumé)
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  • Kedous-Lebouc A, Allab F, Fournier J.M & Yonnet J.P (2005) Réfrigération magnétique. Ed. Techniques Ingénieur.
  • Kedous-Lebouc A, Almanza M, Yonnet JP Legait U & Roudaut J (2014) Réfrigération magnétique. État de l'art et développements récents. In Symposium de Génie Électrique SGE 2014.
  • Lacaze, A. (1985) Contribution à l'étude de la réfrigération magnétique aux températures de l'hélium liquide (Doctoral dissertation) (résumé/fiche Inist-CNRS).
  • Lin G.C, Xu C.D & Zhang J.X (2004) Magnetocaloric effect in La0.80-xCa0.20SrxMnO3 (x = 0.05, 0.08, 0.10) (x. Journal of magnetism and magnetic materials, 283(2-3), 375-379 (http://cat.inist.fr/?aModele=afficheN&cpsidt=16407657 notice Inist-CNRS].
  • Marcenat C (1986) Étude calorimétrique sous champ magnétique des phases basses températures des composés Kondö ordonnés : CeB6 et TmS (Doctoral dissertation).
  • Othmani S (2011) Élaboration et étude des propriétés physiques de nouveaux manganites à effet magnétocalorique : la1-xCexMnO3 ; La0, 7 (CaSr) 0, 3Mn1-xFexO3 ; La0, 6Ca0, 4Mn1-xFexO3 (Doctoral dissertation, Grenoble) (résumé).
  • Roudaut, J. (2011). Modélisation et conception de systèmes de réfrigération magnétique autour de la température ambiante (Doctoral dissertation, Université de Grenoble).
  • Phejar, M. (2010). Étude de nouveaux matériaux de type La (Fe1-xSix) 13 pour la réfrigération magnétique à température ambiante (Doctoral dissertation, Université Paris-Est).
  • Schwarz, B., Mattern, N., Moore, J. D., Skokov, K. P., Gutfleisch, O., & Eckert, J. (2011) Influence of sample geometry on determination of magnetocaloric effect for Gd60Co30Al10 glassy ribbons using direct and indirect methods. Journal of magnetism and magnetic materials, 323(13), 1782-1786 (résumé).
  • Shirron PJ (2007). Cooling capabilities of adiabatic demagnetization refrigerators. J Low Temp Phys, 148:915-920.


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