Ouvrir le menu principal

Le Refroidissement par Désaimantation Adiabatique (RDA) est la première technique à avoir ouvert le champ des ultra-basses températures (T < 1 mK) dont les premières démonstrations expérimentales par W. F. Giauque et D. P. MacDougall d'un côté ainsi que W. J. de Haas, E. C. Wiersma et H. A. Hans Kramers datent de 1933. Les réfrigérateurs utilisant cette technologie ont été globalement délaissés vers le milieu des années 1980 au profit de réfrigérateurs à dilution plus souples et pouvant fonctionner en continu.

La RDA permet d'atteindre des températures comprises entre 10 K et 10 nK par désaimantation de sels paramagnétiques électroniques. La désaimantation se fait à entropie constante : elle est donc adiabatique (une transformation adiabatique est isentropique selon l'identité de la thermodynamique qui permet d'écrire T.dS = δQréversible où T est la température, S l'entropie et Q la chaleur du système thermodynamique). Ainsi, la réfrigération magnétique repose sur la « réduction d'entropie d'un matériau paramagnétique »[1] en exploitant l'effet magnétocalorique (ou « EMC »). L'EMC est maximal 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]).

Elle fait aujourd'hui l'objet d'un regain d'intérêt dans le domaine spatial où il fait refroidir des systèmes de détection des rayonnements à une température inférieure à 100 mK avec deux arguments en sa faveur : sa simplicité et il s'agit pour l'instant de la seule technique pouvant fournir une puissance de refroidissement suffisante.

Sommaire

PrincipeModifier

Le principe de la RDA peut être résumé comme suit : premièrement on aligne les moments du matériau par l’application d’un champ magnétique H ce qui réduit l’entropie du système en libérant de l’énergie sous forme de chaleur évacuée dans un bain thermique isotherme lié au matériau. On isole ensuite thermiquement le matériau puis on coupe le champ : en retrouvant une orientation aléatoire les moments du matériau vont utiliser l’énergie thermique de celui-ci ce qui va diminuer la température. Au terme de plusieurs cycles, on peut atteindre de très basses températures.

Pour un système solide magnétique à basse température, on peut écrire la variation de l'énergie interne U du système thermodynamique :

dU = T.dS - M.dH, où M est l'aimantation magnétique du matériau et H le champ magnétique appliqué

Après quelques calculs cela nous permet d'arriver à l'équation suivante :

(dT/dH)S = T/CH.(dM/dT)H où CH est la chaleur spécifique du système magnétique à champ magnétique constant

Cette équation permet de voir qu'une variation du champ appliqué H induit une variation de la température du système quand l'aimantation dépend de la température.

FonctionnementModifier

2) 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[3]:

  • Aimantation adiabatique: L'intensité du champ magnétique   est augmentée de manière à ajuster la température du matériau à celle du réservoir chaud.
  • 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.
  • 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.
  • 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 alors 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.

Adaptation possible de la RDA à la réfrigération à température ambiante ?Modifier

La RDA pourrait également trouver une application dans la réfrigération à température ambiante. Cela permettrait de se passer de gaz réfrigérants dans les réfrigérateurs commerciaux (et donc de concevoir des réfrigérateurs plus "verts"). Soulignons toutefois que cette possibilité reste à l'état de recherche à ce jour car notamment les matériaux utilisés comme le gadolinium se dégradent rapidement et ne sont utilisables que sur une plage restreinte de températures autour de la température ambiante. Pour rendre possible cet adaptation, il faudrait améliorer considérablement l'efficacité du refroidissement à température ambiante par effet magnétocalorique mais également trouver des matériaux moins coûteux afin que la solution soit viable économiquement.

Le cycle ci-plus-haut s'adapterait ainsi :

  • 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  .
  • 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.
  • 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.
  • 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 température très basses.

Un réfrigérateur magnétique pourrait aussi être associé à un réfrigérateur à gaz (en cascade ou en parallèle)[4].

RechercheModifier

Pour une utilisation fiable et à grande échelle, des chercheurs explorent, caractérisent et modélisent[5] les aspects magnéto-statique, magnéto-calorique et thermo-fluidique, éventuellement à l'échelle de nanomatériaux ou dans le domaine des terres rares[6].

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[7]. 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[8].

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 référencesModifier

  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. Voir: F. Rief, Statistical and Thermal Physics, McGram-Hill editions, 1985. (ISBN 0-07-085615-X)
  4. Lacaze A (1985) Contribution à l'étude de la réfrigération magnétique aux températures de l'hélium liquide (Doctoral dissertation) (résumé/fiche Inist-CNRS).
  5. Legait U (2011) Caractérisation et modélisation magnétothermique appliquée à la réfrigération magnétique (Doctoral dissertation, Université de Grenoble).
  6. Mayer C (2011) Nouveaux matériaux magnétocaloriques à base de terres rares pour la réfrigération magnétique (Doctoral dissertation, Université Sciences et Technologies-Bordeaux I).
  7. Cramet N (2006) Conception innovante de différents minis & micro-échangeurs thermiques pour le Froid Magnétique (résumé)
  8. Chennabasappa, M. (2013). Étude du vieillissement de matériaux magnétocaloriques (Doctoral dissertation, Bordeaux 1) (résumé)

Voir aussiModifier

Articles connexesModifier

Liens externesModifier

BibliographieModifier

  • J. Bossy CNRS-CRTBT, Refroidissement par Désaimantation Adiabatique (4ème école d'Automne d'Aussois sur la Détection de Rayonnements à Très Basse Température : Balaruc-les-Bains, 14-20 novembre 1999).
  • 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).
  • Guaddouche Z (2013) Contribution à l'étude d'un réfrigérateur magnétique (Doctoral dissertation, Université des sciences et de la technologie Houari Boumediène (USTHB), Fiche et résumé ).
  • 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)
  • Kedous-LeboucA, Allab F, Fournier JM & Yonnet JP (2005) “Réfrigération magnétique,” Techniques de l’ingénieur, vol. RE28 –1, no 0 p. 0

–16.

  • 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.