IJskoud de beste

Koelen kan straks nagenoeg zonder energie en schadelijke stoffen. Amsterdams poeder baant de weg naar de ultieme koelkast.

In de leidingen van koelinstallaties in Nederland zitten grote hoeveelheden schadelijk freon of ammoniak. Maar koelen kan even goed zonder koelvloeistof, zegt natuurkundige Ekkes Brück van het Van der Waals-Zeeman Instituut in Amsterdam. In Nature van deze week (10 jan.) beschrijven Brück en zijn medewerkers een mangaanlegering die fors koelt door deze afwisselend wel en niet bij een magneet te houden. Het is het eerste poeder dat zo goed koelt bij kamertemperatuur. Het koelpoeder is bijna even goedkoop als doodgewoon ijzer.

Een traditionele koelinstallatie is een omgekeerde stoommachine. Maar waar een stoommachine warmte omzet in arbeid, gaat het er bij koudetechniek om via arbeid warmte aan de omgeving te onttrekken. Koelstoffen worden daartoe in een compressor samengedrukt, waarna ze warmte aan de omgeving afstaan, bijvoorbeeld in de (hete) buizen achter de koelkast. In het koelelement binnen de koelkast verdampen die koelstoffen, waarbij ze aan de inventaris warmte onttrekken.

``Stel je een kilo van ons koelpoeder per seconde één keer wel en niet bloot aan een magneetveld van twee tesla, dan heb je een koelvermogen van 200 watt'', zegt Brück. ``Dat is grofweg evenveel als een koelkast thuis. Doe je het sneller, zeg vijf keer per seconde, dan neemt het vermogen vijf keer toe. Ook kun je het vermogen opvoeren met sterkere magneetvelden. Zo kun je precies instellen op welke temperatuur het poeder de ruimte koelt.''

Het principe van magnetisch koelen is al oud. Honderd jaar geleden staarde de natuurkundige Ernst Warburg verbijsterd naar een stuk ijzer. Dat werd plotseling twee graden warmer, zonder dat hij energie had toegevoerd. Warburg had er alleen maar een magneet bijgehouden. Zijn ontdekking leek in strijd met de wet van behoud van energie.

Later bleek dat sommige atomen behalve hun snelheid nog een andere bewegingsvrijheid hebben. Een atoom is een positief geladen kern waarom elektronen als in een wolk rondzwermen. Die elektronen, zo ontdekten de Nederlanders Goudsmit en Uhlenbeck, tollen om hun eigen as. En waar lading beweegt, wekt het magneetvelden op. De zogeheten spins van elektronen kunnen zorgen voor een netto magnetisch moment van het atoom. Die atomen zijn dan atomaire magneetjes die een bepaalde richting opstaan.

Een magnetische stof richt zich langs de veldlijnen van het opgelegde veld. Precies zo werkt dat bij de atomaire magneetjes in het ijzerkristal. Warburgs ontdekking was daarmee verklaard. Warmteverschijnselen zoals je ze meet via temperatuur, druk of volume zijn de som van het gebots, gedraai en getril van miljarden aparte deeltjes. Nuchtere kansrekening zegt dat het systeem in het geheel niets `ordelijks' kan doen, zolang er van buiten geen energietoevoer is. Dat de atomaire magneetjes allemaal dezelfde kant op wijzen is echter zoiets ordelijks. Vandaar moet de wanorde elders in het kristal toenemen: de atomen in het kristal gaan dan ook heviger trillen. Precies dat was de warmte die Warburg mat.

Als opwarmen zo lukt, dan moet koelen ook kunnen. Onttrek je Warburgs warmte aan het kristal, dan ontstaat een koelelement. Het kristal wordt dan even warm als zijn omgeving, maar de atomaire magneetjes vertonen nog steeds hun ordening. Die magnetische ordening gaat over in wanorde, als de magneet wordt weggehaald. De warmte daarvoor onttrekt het kristal aan zijn omgeving. Plaats je het kristal afwisselend in en uit een magneetveld, dan ontstaat een koelmachine, die in principe werkt zonder dat je arbeid hoeft te verrichten. ``Tot nu toe hadden kristallen echter te weinig koelvermogen'', zegt Brück. ``Dit komt doordat ze eigenlijk geen echte faseovergang als verdampen of stollen doormaken. Ons koelpoeder verandert echter, net als ammoniak of freon, wel van fase. Dat maakt het een vier keer zo sterke koeler als normaal ijzer.''

Het Amsterdamse koelpoeder bestaat uit een kristal van mangaan, ijzer, fosfor en arseen. Komt het kristal in een magneetveld, dan krimpt het in één richting een beetje in; erbuiten zet het weer uit. Bij dit inkrimpen schakelt het kristal een sterk intern magneetveld aan. Dit komt doordat de mangaan- en ijzeratomen naar elkaar toeschuiven en vervolgens hun magneten in dezelfde richting zetten. Om vervolgens al die magneetjes weer in willekeurige richtingen te zetten, moet het kristal extra veel warmte aan de omgeving onttrekken.

In principe is met het koelpoeder de ultieme koelkast te bouwen: de faseovergangen kosten immers geen energie. Toch zit een perpetuum mobile er (natuurlijk) niet in. Brück toont een schets van zijn ontwerp voor de magnetische koelkast. ``Het poeder zit in een wiel dat ronddraait, bijvoorbeeld met een elektromotortje. De helft van het wiel draait buiten, de andere binnenin de kast. De buitenste helft beweegt langs een magneet, die zo is uitgehold dat het wiel er precies in past. Draait het wiel, dan beweegt het poeder afwisselend `in' en `uit' het magneetveld. Dan heb je een koelkast. Alleen het ronddraaien van het wiel kost nog energie.''