Ученые из Дрезденской лаборатории сильных магнитных полей и Дармштадтского технического университета совместно с инженерами немецкой компании Magnotherm Solutions создали и испытали крупнейшую в мире экспериментальную установку для сжижения водорода с помощью магнитного охлаждения. Установка, получившая название HyDRA, достигает почти 4,6 метра в высоту и позволяет получать рекордные показатели охлаждения, используя при этом минимальное количество дорогих магнитных материалов.
Водород считается одним из самых перспективных экологически чистых энергоносителей, однако его широкое применение пока сдерживается сложностью хранения и транспортировки. Намного удобнее перевозить водород в жидком виде, но для этого его необходимо охладить примерно до -253°C. Современные технологии сжижения, основанные на сжатии и расширении газа, требуют огромных затрат энергии – до трети всей энергии, содержащейся в самом водороде.
Исследователи предложили использовать вместо традиционных холодильных циклов магнитное охлаждение. Его принцип основан на магнитокалорическом эффекте: некоторые материалы при помещении в сильное магнитное поле нагреваются, а после снятия поля, наоборот, охлаждаются. Если совместить этот процесс с циркуляцией теплоносителя, можно постепенно переносить тепло из одной зоны в другую и получать сверхнизкие температуры без привычных компрессорных холодильных установок.
В качестве магнитокалорического материала ученые использовали гольмий – редкоземельный металл, хорошо работающий при сверхнизких температурах. Его поместили внутрь сверхпроводящего магнита с полем до 19 тесла. Для сравнения: магнитное поле Земли слабее примерно в сотни тысяч раз. Через систему прокачивается гелий, который переносит тепло между горячими и холодными участками установки. При этом водород сначала охлаждают жидким азотом до примерно -196°C, а затем магнитная система снижает температуру еще сильнее – уже до уровня, необходимого для сжижения водорода.
Ключевым элементом установки стал так называемый активный магнитный регенератор. Это специальная структура, внутри которой магнитный материал и поток гелия работают совместно, постепенно «перекачивая» тепло от холодного конца системы к горячему. Благодаря этому удается получить перепад температур намного больше, чем способен обеспечить магнитокалорический эффект за один цикл.
Во время экспериментов исследователи обнаружили, что эффективность системы сильно зависит от магнитного поля и давления гелия. Так, при увеличении магнитного поля с 6 до 9 тесла перепад температур вырос с 12,4 до 16,4 Кельвина. Повышение давления гелия также улучшало результаты: температура охлаждения увеличивалась с 10,2 до 12,7 Кельвина.
Работа также позволила выявить важные особенности поведения гелия при сверхнизких температурах. Оказалось, что из-за высокой сжимаемости газа внутри системы возникают дополнительные потери эффективности. Эти данные помогут точнее проектировать будущие магнитные холодильные установки.
Пока HyDRA остается экспериментальной платформой, однако сама технология рассматривается как один из перспективных способов сделать водородную энергетику дешевле и эффективнее.