Manyetokalorik Etki

Manyetokalorik etki, manyetik malzemelerin iç özelliği olarak kendini göstermektedir. Bu etki malzemeye dış manyetik alan uyguladığında ya da kaldırıldığında ısıyı absorbe etmesi ya da yayması esasına dayanır. Manyetik alan uygulaması ile malzemenin manyetik entropi değeri azalır ve ısı manyetik soğutma sisteminden ortama doğru izotermal olarak yayılır. Bu prosesin tam tersi olarak manyetik alan kaldırıldığında, manyetik entropi artar ve ısı ortamdan çekilir. Yani manyetik soğutucu tarafından adyabatik olarak absorbe edilir.

Manyetik alan uygulandığında; manyetik momentlerin uygulanan manyetik alana paralel yerleşmesinden dolayı malzeme ısınır, ya da tam tersi olarak; manyetik alandan çıkarılan ferromanyetik malzemenin manyetik moment dizilimi eski düzensizliğine kısmen döner, bu nedenle malzeme soğumaya başlar.

Manyetik soğutma döngüsü, izotermal manyetizma hali ve adyabatik demanyetizma hali olarak iki aşama içerir. Manyetokalorik etki, manyetik alan yoğunluğu ve sıcaklık arasında kuvvetli bir fonksiyonel ilişki vardır. Sıcaklığın belirli bir değerinin altında veya üstünde, manyetik alan uygulanmadan bile malzeme içerisindeki manyetik momentler kendiliğinden düzene girer ya da düzensizleşir. Bu sıcaklık değeri, her malzeme için farklılık gösterir ve Curie sıcaklığı olarak adlandırılır.

Manyetokalorik Ekti’de düşük sıcaklık elde etmek, malzemenin bulunduğu düşük entropi hali ile ilişkilendirilir. Bir maddenin kristal yapısındaki “termal düzensizlik” ve spinlerindeki yanlış yönelim “manyetik düzensizlik” ile oluşan titreşimler malzemenin entropisine katkı sağlar ve bu titreşimlerden dolayı oluşan entropi, malzemenin düzensizlik halini karakterize eder. Manyetokalorik malzeme uygulanacak olan manyetik alan bağıl permeabilite değeri ile arttırılabilir. Boşluk permeabilite değeri :

Permeabilite manyetik geçirgenliktir ve manyetik alan uygulandığında manyetikleşme derecesi olarak adlandırılır.

Histeresis, bir prosesin yola ya da orana bağlılığıdır. Bu bağlılık, sistemin birden fazla aşamada bulunmasından dolayı oluşur. Manyetizma-demanyetizma durumunda olan histerisiz döngüsünde iki önemli karakteristik durum oluşur.

• Retentivite: Remanence, malzemenin manyetik doyma indüksiyonuna karşılık gelen yerleşik akı yoğunluğu(residual flux density). Başak bir deyişle manyetik alan sıfır olduğu zaman, malzemenin içerisinde artım olarak kalan manyetik akı yoğunluğu olarak tanımlanabilir.
• Coercivite: Malzeme içerisinde kalan manyetik akı yoğunluğunun(retentivite) sıfır olması için gereken ters manyetik alan miktarıdır.

Manyetokalorik Etki Nerelerde Kullanılabilir?

Manyetokalorik etki (MCE), çevre dostu ve yüksek verimli bir soğutma çözümü olarak gelecekte geniş uygulama alanları bulabilecek bir teknolojidir. Isı pompalamak için gazlara değil, manyetik alanlarla kontrol edilen katı malzemelere dayalı bu sistemler, geleneksel buhar sıkıştırmalı soğutma sistemlerine önemli bir alternatif sunmaktadır.

1. Evsel Soğutma Sistemleri

Manyetokalorik sistemler, sesiz çalışmaları ve çevre dostu yapıları sayesinde buzdolabı, şarap soğutucu veya mini bar gibi uygulamalarda kullanım potansiyeline sahiptir. Zararlı soğutucu gazlar yerine katı malzemelerle çalışan bu sistemler, karbon ayak izini azaltmak isteyen üreticiler için cazip bir seçenektir.

• Tıbbi Cihazlar

Hassas sıcaklık kontrolü gerektiren biyomedikal cihazlar ve taşınabilir aşı taşıma sistemlerinde, titreşimsiz çalışması sayesinde manyetokalorik soğutma teknolojileri tercih edilebilir. Bu özellik, özellikle MRI gibi görüntüleme sistemlerinde elektromekanik gürültülerin azaltılması açısından avantaj sağlar.

• Uzay ve Savunma Sanayi

Uzay uygulamalarında hareketli parça sayısının azlığı ve sistemin yüksek güvenilirlikte çalışması büyük önem taşır. Manyetokalorik soğutucular, vakum ortamlarında da çalışabilme özelliğiyle bu alanda güçlü bir adaydır.

• Bilimsel Araştırmalar ve Kriyojenik Uygulamalar

Kriyojenik sıcaklıklara ihtiyaç duyulan fiziksel deneyler veya malzeme bilimleri alanında, bu sistemler kompakt yapıları ve düşük bakım ihtiyaçları ile avantaj sağlar.

• Elektronik ve Batarya Soğutma

Mikro boyutta modüler çözümler sunabilmeleri sayesinde, işlemci soğutma veya elektrikli araç bataryalarının termal yönetiminde kullanım potansiyeli taşır.

Sınırlılıkları ve Mevcut Zorlukları

Manyetokalorik sistemler yüksek potansiyel taşımakla birlikte, hâlihazırda yaygın uygulamalara geçişi engelleyen bazı teknik ve ekonomik sınırlamalara sahiptir:

• Mıknatıs Maliyeti ve Ağırlığı: Yüksek manyetik alanların oluşturulması için güçlü mıknatıslar gereklidir. Bu mıknatısların maliyeti, ağırlığı ve hacmi, sistemin taşınabilirliği ve ekonomik uygulanabilirliği açısından sınırlayıcı olabilir.
• Isı Transfer Verimliliği: MCE sistemlerinde malzeme ile ısı transfer akışkanı arasındaki temas yüzeyinin etkin tasarımı zorludur. Özellikle mikro ölçekte bu etkileşimi verimli hale getirmek mühendislik açısından karmaşık olabilir.
• Malzeme Dayanıklılığı ve Üretimi: Gadolinyum gibi MCE’ye uygun malzemeler sınırlı kaynaklara sahiptir ve işlenmeleri hassas üretim gerektirir. Ayrıca, yüksek döngü sayısında malzeme kararlılığı uzun vadede performans düşüşüne neden olabilir.
• Soğutma Kapasitesi: Manyetokalorik sistemlerin soğutma kapasitesi hâlâ geleneksel sistemlerin gerisindedir. Endüstriyel ölçekte yüksek soğutma ihtiyaçlarını karşılamak için daha fazla araştırma ve geliştirme gereklidir.

Manyetokalorik etki hem sürdürülebilirlik hem de teknolojik yenilik açısından heyecan verici bir alan sunmaktadır. Ancak bu sistemlerin günlük yaşamda yaygınlaşabilmesi için, mevcut sınırlamaların bilimsel ve mühendislik düzeyinde aşılması gerekmektedir. MCE teknolojisinin gelecekte daha erişilebilir hale gelmesiyle, enerji verimliliği yüksek ve çevre dostu soğutma sistemleri yaşamımıza entegre olabilir.

KAYNAKÇA

• LALE Landau and Evgeny Lifshitz. On the theory of the dispersion of magnetic permeability in ferromagnetic bodies. In Perspectives in Theoretical Physics, pages 51–65. Elsevier, 1992.
• Peter Mohn and EP Wohlfarth. The curie temperature of the ferromagnetic transition metals and their compounds. Journal of Physics F: Metal Physics, 17(12):2421, 1987.