Effet magnétocalorique
En 2014, les recherches à l’UdeS ont permis d’observer qu’un effet magnétocalorique (EMC), soit un changement de température d’un matériau magnétique soumis à un champ magnétique externe, peut être obtenu par une simple rotation d’un cristal de HoMn2O5 dans un champ magnétique fixe. À la suite de cette découverte, un concept innovant a été proposé pour la liquéfaction de l’hélium et de l’hydrogène en utilisant l’effet magnétocalorique rotatif (EMCR). Cette découverte est cruciale d’un point de vue pratique et constitue une étape importante dans le développement et l’exploitation de la réfrigération magnétique dans plusieurs applications.
Le comportement différent de cet effet magnétocalorique pour des champs magnétiques appliqués suivant des axes cristallins différents, appelé anisotropie, devient d’un grand intérêt technologique. Dans ce cas, les matériaux étudiés pourraient permettre une deuxième génération de systèmes de refroidissement où le(s) cristal(cristaux) effectue(nt) une rotation dans un champ magnétique constant. Ces systèmes seraient alors plus compacts et fort possiblement encore plus performants que les prototypes actuels basés sur la translation (des allers-retours successifs) du matériau actif dans une source de champ magnétique. L’équipe dirigée par Patrick Fournier a poursuivi ses études de ce phénomène afin d’identifier des matériaux pouvant présenter un EMC rotatif encore plus imposant.
Figure 1: (Gauche) Un schéma du principe de fonctionnement d’un réfrigérateur à effet magnétocalorique rotatif. (Droite – haut) Dépendance en température de la variation d’entropie pour des monocristaux de HoMn2O5 (Ho) et TbMn2O5 (Tb) suite à la rotation du cristal de 90o autour d’un axe choisi enprésence d’un champ magnétique fixe de 2 tesla. (Droite – bas) Estimé du changement de température (adiabatique) d’un cristal pour la même rotation de 90o dans un champ magnétique de 2 tesla.
En parallèle, l’équipe a aussi tenté d’augmenter et d’adapter la plage de températures où l’EMC est observé dans un souci de mettre au point le «matériau parfait» pour la réfrigération à la température ambiante. Pour certains des matériaux étudiés, comme les doubles pérovskites, cet effet est important près de la température ambiante. Il permet ainsi d’entrevoir des applications en réfrigération magnétique pour des systèmes domestiques (réfrigération, climatisation). L’étude de composites et d’un dopage ciblé guidé par les travaux théoriques du groupe dirigé par le professeur André-Marie Tremblay a permis de prédire et d’identifier expérimentalement des nouveaux doubles pérovskites. Ensuite, l’équipe de Patrick Fournier a en effet synthétisé ces nouveaux composés pour constater qu’ils avaient des propriétés magnétocaloriques comparables ou dépassant les matériaux connus. Dans une perspective de commercialisation éventuelle, les coûts associés à leur croissance seront plus abordables. Des essais dans un prototype avec des collaborateurs à Grenoble sont envisagés pour confirmer les performances magnétocaloriques et aller de l’avant pour une intégration dans un prototype.
Dans le contexte actuel de pénurie des sources d’énergie et d’émissions de gaz nocifs à l’environnement, la réduction de la consommation énergétique et l’élimination des polluants atmosphériques constituent des avancées majeures pour la production industrielle de froid. Ainsi, la réfrigération magnétique basée sur l’EMC constitue une alternative sérieuse pour remplacer les systèmes de réfrigération conventionnels, puisqu’elle est énergétiquement efficace, et donc économe, et sans danger pour l’environnement. La découverte de l’EMC rotatif et l’exploration de nouveaux matériaux permettra éventuellement de mettre en place des systèmes de réfrigération encore plus simples, efficaces, compacts, et capables de produire de grands froids à peu de frais.
Les travaux sont entamés afin de développer un concept de système exploitant l’EMC rotatif pouvant mener à un premier prototype. Une déclaration d’invention sera probablement déposée suivies de publications dans des journaux spécialisés en 2019.