കാന്തിക ശീതീകരണം അഥവാ Magnetic refrigeration

മേൽ കാണിച്ചിട്ടുള്ള ചിത്രത്തിൽ നിന്നും കാന്തിക ശീതീകരണം എങ്ങനെ സാധ്യമാകുന്നു എന്ന കാര്യം വ്യക്തമാണ്. പരമ്പരാഗത കംപ്രസർ ബേസ്ഡ് ശീതീകരണ പ്രക്രിയയുമായി താരതമ്യം ചെയ്തിട്ടുമുണ്ട്.

Magneto Caloric Effect (MCE) എന്ന തത്വത്തെ അടിസ്ഥാനപ്പെടുത്തിയാണ് ഇവിടെ ശീതീകരണം സാധ്യമാക്കുന്നത്. ഇവിടെ ശീതികാരി അഥവാ refrigerant ആയി ഉപയോഗിക്കുന്നത് MCE പ്രകടമാക്കുന്ന തരം കാന്തിക വസ്തുക്കളെയാണ്. പുറമെ നിന്നും പ്രയോഗിക്കുന്ന കാന്തിക മണ്ഡലം ശീതീകാരിയായ കാന്തത്തിനുള്ളിലെ കാന്തിക മണ്ഡലത്തെ ഒരേ ദിശയിൽ ക്രമപ്പെടുത്തുന്നു. ഇത് ആ വസ്തുവിന്റെ എൻട്രോപ്പി (entropy) കുറയ്ക്കുന്നു. എൻട്രോപ്പി എന്നാൽ, ക്രമമില്ലായ്മയുടെ തോതാണ്. അതായത് degree of disorder.
എൻട്രോപ്പി കുറയുന്ന കാരണത്താൽ താപോർജ്ജം പുറത്തേയ്ക്ക് പോകാൻ ശ്രമിക്കും. MCE പ്രകടമാക്കുന്ന വസ്തുക്കളുടെ ഒരു പൊതു സ്വഭാവമാണ് ഇത്തരത്തിൽ കാന്തികോർജ്ജത്തെ താപോർജ്ജമാക്കി രൂപപ്പെടുത്തുന്നത്.

കാന്തിക ശീതീകരണത്തിന്റെ ആദ്യ ഘട്ടം ഒരു adiabatic magnetization പ്രക്രിയ ആയതിനാൽ, കാന്തിക ബലം സൃഷ്ടിക്കുന്ന
താപോർജ്ജത്തിന് പുറത്ത് ചാടാൻ നിർവാഹമില്ലാതെ വരുന്നു. പകരം, കാന്തിക വസ്തു ചൂടാകുന്നു, അതായത് ഊഷ്മാവ് വർദ്ധിക്കുന്നു. Adiabatic പ്രക്രിയ എന്നാൽ, ചുറ്റുപാടുമായി താപോർജത്തെ പങ്കു വയ്ക്കാത്ത തരം അടഞ്ഞ പ്രക്രീയ എന്നർത്ഥം. അടുത്ത ഘട്ടം, isomagnetic enthalpy transfer ആണ്. അതായത്, പുറമേ നിന്നുള്ള കാന്തിക ബലം അതേ തീവ്രതയിൽ നില നിർത്തി ( അതാണ് isomagnetic എന്ന പദാവലി കൊണ്ട് ഉദ്ദേശിക്കുന്നത് ) അധിക താപോർജ്ജജത്തെ മറ്റൊരു ദ്രാവക കൂളന്റ് ആഗിരണം ചെയ്യുന്നു. ഇപ്പോൾ കാന്തിക വസ്തു, തുടക്കത്തിലെ ഊഷ്മാവിലേയ്ക്ക് തിരികെ വരുന്നു. അടുത്ത ഘട്ടം, adiabatic demagnetization ആണ്. ഈ ഘട്ടത്തിൽ പുറമെ നിന്നുള്ള കാന്തിക മണ്ഡലം വിഛേദിക്കുന്നു. തൽഫലമായി , കാന്തിക വസ്തുവിനുള്ളിലെ magnetic moment കൾ ക്രമരഹിതമാകുന്നു. ഇങ്ങനെ സംഭവിക്കുന്നതിന് താപോർജ്ജം പുറമേ നിന്നും ആഗിരണം ചെയ്യേണ്ടി വരും. എന്നാൽ adiabatic പ്രക്രിയ ആയതിനാൽ അതിനുള്ള അവസരം ലഭ്യമല്ല. ആയതിനാൽ ക്രിസ്റ്റലിനുള്ളിലെ താപത്തെ സ്വയം ആഗിരണം ചെയ്ത് ആന്തരിക കാന്ത്രിക പ്രഭാവത്തെ ക്രമരഹിതമാക്കുകയാണ് ചെയ്യുന്നത്. തൽഫലമായി കാന്തിക വസ്തു തണുക്കുന്നു, അഥവാ ഊഷ്മാവ് കുറയുന്നു.

 തൊട്ടടുത്ത ഘട്ടം, isomagnetic entropy transfer ആണ്. അതായത്, ബാഹ്യകാന്തിക മണ്ഡലം വിഛേദിച്ച അവസ്ഥയിൽ തന്നെ, കാന്തിക വസ്തു ചുറ്റുപാടിൽ നിന്നും താപം ആഗിരണം ചെയ്ത് പൂർവ ഊഷ്മാവിൽ എത്താൻ ശ്രമിയ്ക്കുന്നു. തൽഫലമായി, ചുറ്റുപാടിലെ ഊഷ്മാവ് കുറയുന്നു.

കാന്തിക വസ്തു വീണ്ടും adiabatic magnetization ന് വിധേയമാകുന്നതോടെ തുടർ പ്രക്രിയകൾ ചാക്രികമായി നീങ്ങുന്നു. ഫലത്തിൽ, ഒരു അടഞ്ഞ ചുറ്റുപാടിലെ താപത്തെ ഓരോ പ്രാവശ്യവും ആഗിരണം ചെയ്ത് ഊഷ്മാവിനെ താഴ്ത്തി ശീതീകരണം സാധ്യമാക്കുന്നു. ആഗിരണം ചെയ്യപ്പെടുന്ന താപത്തെ മറ്റൊരു കൂളിങ് ദ്രാവകം മുഖേന പുറമേയ്ക്ക് കടത്തുന്നു.

Refrigerant ആയ കാന്തിക വസ്തു, ഒരു നാനോ കാന്തമാകുമ്പോൾ പുറമേ നിന്നും നൽകേണ്ടി വരുന്ന കാന്തിക ബലത്തിന്‌ തീവ്രത കുറഞ്ഞിരുന്നാൽ മതിയാകും. ഇത് ശീതീകരണ പ്രക്രീയയുടെ ചെലവ് കുറയ്ക്കാനും സഹായകമാകുന്നു.