To nie jest już pojedynczy eksperyment w laboratorium, lecz kompletna technologia, którą można próbować wynieść na rynek. W tle tyka zegar: międzynarodowe regulacje wymuszają odejście od HFC i innych gazów chłodniczych po 2030 roku, a zapotrzebowanie na chłodzenie rośnie z każdym kolejnym upalnym latem.
Chłodzenie bez gazów: dlaczego to w ogóle problem?
Każda lodówka, klimatyzator w biurze i pompa ciepła w domu działają dziś dzięki gazowym czynnikom chłodniczym. To one krążą w instalacji, odparowują, skraplają się i dzięki temu przenoszą ciepło z jednego miejsca w drugie. Niestety wiele z tych substancji ma gigantyczny potencjał cieplarniany, pojedyncza cząsteczka potrafi zatrzymywać w atmosferze ciepło setki, a nawet tysiące razy skuteczniej niż dwutlenek węgla.
Dlatego w ramach tzw. poprawki z Kigali do Protokołu montrealskiego państwa uzgodniły stopniowe, a później całkowite odejście od głównych grup takich gazów. Po 2030 roku produkcja i użycie wielu popularnych dziś czynników, w tym HFC i HCFC, ma zostać praktycznie wycięte z rynku. Równolegle ograniczane będą jednorazowe pojemniki i obrót czynnikami, także tymi z odzysku.
Na papierze wygląda to, jak zwykły zapis prawny, w praktyce oznacza jednak rewolucję w całej branży chłodniczej. Inżynierowie muszą znaleźć coś, co będzie równie wydajne, bezpieczne i opłacalne, a jednocześnie nie powtórzy błędów poprzedników. Stąd rosnące zainteresowanie technologiami, które w ogóle nie potrzebują gazu, tylko pracują w stanie stałym.
Jak działa chłodzenie magnetyczne w praktyce?
Chłodzenie magnetyczne opiera się na tzw. efekcie magnetokalorycznym. W dużym uproszczeniu chodzi o to, że niektóre materiały zmieniają swoją temperaturę, gdy umieści się je w polu magnetycznym i odpowiednio je przełącza. Gdy materiał jest namagnesowany, jego uporządkowane momenty magnetyczne „ściskają” wewnętrzną energię, co podnosi temperaturę. Kiedy pole zostaje wyłączone, struktura się rozluźnia, materiał stygnie i może pochłonąć ciepło z otoczenia.
Zestawiając taki materiał z odpowiednim wymiennikiem ciepła oraz cieczą roboczą, można zbudować urządzenie, które pompuje ciepło podobnie jak klasyczna sprężarkowa lodówka, ale bez sprężarki i gazu. Całość pracuje w stanie stałym, a główną rolę odgrywa precyzyjnie sterowane pole magnetyczne oraz cykle nagrzewania i chłodzenia materiału magnetokalorycznego.
Zaletą takiego podejścia jest nie tylko potencjalnie wysoka sprawność energetyczna, lecz także brak emisji czynników chłodniczych do atmosfery. Jeśli dodatkowo zasilanie pochodzi z zielonej energii, ślad klimatyczny takiego systemu może być dramatycznie niższy niż tradycyjnych rozwiązań, które jednocześnie zużywają dużo prądu i opierają się na gazach o wysokim potencjale cieplarnianym.
Koreańskie przełamanie: od stopów po gotowe moduły
Nowość z Korei polega na tym, że zespół z Korea Institute of Materials Science nie skupił się tylko na jednym fragmencie układanki. Udało się opracować tzw. pełny cykl technologii chłodzenia magnetycznego. Obejmuje on zarówno opracowanie nowych stopów magnetokalorycznych, jak i metody ich formowania w cienkie blachy i druty, a na końcu konstrukcję modułów i systemów pomiarowych, które pozwalają to wszystko sensownie zestroić.
Naukowcy pracowali z kilkoma grupami materiałów. Z jednej strony rozwijali stopy na bazie lantanowców, w tym cienkie arkusze o grubości zaledwie pół milimetra, które można efektywnie wbudować w wymienniki ciepła. Z drugiej, opracowali bardzo cienkie druty z gadolinu o średnicy około jednego milimetra, co pokazuje, że technologia nadaje się nie tylko do płaskich wymienników, lecz także bardziej złożonych geometrii.
Równolegle mocno dopracowano materiały oparte na manganie, które nie bazują na metalach ziem rzadkich. To ważny wątek, bo zależność od drogiego i politycznie wrażliwego łańcucha dostaw metali takich jak gadolin czy neodym mogłaby zablokować szerokie wdrożenie chłodzenia magnetycznego. Tu kluczowe było kontrolowanie zjawiska zwanego histerezą cieplną oraz odpowiednie ustawienie anizotropii magnetycznej, tak aby materiał dawał duży efekt chłodzenia, ale jednocześnie nie tracił energii w każdym cyklu pracy.
Do tego dochodzi jeszcze własny system pomiarowy, który potrafi bezpośrednio śledzić zmiany temperatury w warunkach adiabatycznych, czyli w trakcie bardzo szybkich cykli magnetycznych. Dzięki temu badacze mogą precyzyjnie porównywać, jak konkretne parametry procesu, na przykład sposób walcowania czy ciągnienia drutu, przekładają się na wydajność chłodniczą gotowego komponentu. To z kolei przybliża całą technologię do etapu, w którym da się ją po prostu zamówić jako moduł, a nie tylko opisywać w publikacjach naukowych.
Chłodzenie jako cichy gigant emisji
Na co dzień widzimy głównie spaliny z rur wydechowych i kominy elektrowni, ale systemy chłodzenia też mają swoje ciemne oblicze. Szacunki różnych organizacji pokazują, że szeroko rozumiane chłodzenie, klimatyzacja pomieszczeń, chłodnictwo przemysłowe, łańcuchy chłodnicze dla żywności, odpowiada już za co najmniej kilka procent globalnych emisji gazów cieplarnianych, a niektóre analizy mówią wręcz o ponad 10 procentach, jeśli policzyć wszystkie segmenty rynku razem.
Problem jest podwójny. Po pierwsze, urządzenia chłodnicze zużywają ogromne ilości energii elektrycznej, która w wielu krajach wciąż pochodzi z paliw kopalnych. Po drugie, do atmosfery uciekają same czynniki chłodnicze, które mają bardzo wysoki potencjał ocieplający. Wyciek niewielkiej ilości takiego gazu z instalacji może odpowiadać za emisje porównywalne z przejechaniem tysięcy kilometrów samochodem.
Światowa polityka klimatyczna coraz mocniej dociska ten sektor. Poza wspomnianą poprawką z Kigali pojawiają się krajowe plany odchodzenia od HCFC i HFC, jak choćby te ogłoszone przez Chiny na lata 2025–2030. Równolegle rozwija się rynek alternatywnych rozwiązań: od bardziej efektywnych klasycznych pomp ciepła, przez nowe czynniki o niskim potencjale cieplarnianym, po technologie kaloryczne, magnetokaloryczne, elektro- czy elastokaloryczne. W tym krajobrazie koreańska platforma chłodzenia magnetycznego jest kolejnym sygnałem, że odchodzenie od gazów to realny scenariusz, a nie odległa futurystyka.
Podoba mi się w tej koreańskiej historii to, że nie zatrzymano się na ładnych wykresach, ale zbudowano pełną ścieżkę: od stopów, przez konkretne kształty komponentów, po system pomiarowy i moduły. To sugeruje, że celem nie jest wyłącznie naukowy rekord, lecz realne wdrożenie. Oczywiście przed nami jeszcze klasyczne przeszkody: koszty, niezawodność w wieloletniej eksploatacji, serwisowanie, a także konkurencja ze strony innych technologii chłodzenia, które też chcą być nazwane „zielonymi”.
Jeśli miałabym prognozować, to najbliższe lata będą testem cierpliwości. Najpierw zobaczymy pojedyncze instalacje, prototypy w przemyśle i projektach pilotażowych. Potem pierwsze komercyjne urządzenia, o których producenci będą mówić mniej więcej tak: „to lodówka nowej generacji, bez gazu, z solid-state cooling”. Dopiero po jakimś czasie przyjdzie etap, w którym takie rozwiązania staną się na tyle tanie i dojrzałe, że trafią do zwykłych mieszkań. I tu właśnie rozegra się najciekawsza część – czy użytkownik uwierzy, że zmiana technologii chłodzenia naprawdę robi różnicę, czy potraktuje to po prostu jako kolejną etykietkę na drzwiach urządzenia.