Fyzika a klasická energetika

Článků v rubrice: 254

14. října 2011

Magnetické kapaliny a jejich uplatnění v tepelných systémech

Magnetické kapaliny (angl. ferrofluids) jsou v podstatě kapaliny plné velmi malých kovových pilinek dokonale s kapalinou promísených, které se neusazují ani neshlukují. Pokud se taková kapalina dostane do blízkosti silného magnetického pole, její vlastnosti se začnou dramaticky měnit. Pomocí silného permanentního magnetu je možné ji dokonce vytáhnout po stěně nádoby vzhůru. Díky svým jedinečným vlastnostem umožňují magnetické kapaliny rozvoj nových technologií a zařízení. Je jím i speciální systém řízení přenosu tepla v „tepelných trubicích“ (heat pipes) pomocí magnetického pole.

Fotogalerie (4)

Feromagnetické nanočástice uspořádané ve směru siločar magnetického pole vytvářejí v magnetické kapalině typické „bodlinky“

Představme si kapalinu, např. olej nebo vodu, ve které jsou rozptýlené miniaturní feromagnetické nanočástečky o rozměrech okolo 10 nm. Jsou tak malé, že přirozený tepelný (Brownův) pohyb jim nedovolí, aby se usazovaly u dna nádoby. Na jejich povrch jsou navíc uměle navázány několik nanometrů dlouhé polymerní řetězce, které jako miniaturní tykadélka drží od sebe jednotlivé částice i v silném magnetickém poli.

Magnetická kapalina je tedy velmi jemná a dlouhodobě stabilní disperze – koloidní roztok, který se svými vlastnostmi velmi blíží pravým roztokům. Nosnou kapalinou je zde obvykle minerální nebo silikonový olej, kerosin, voda aj. Pevné částice bývají často oxidy železa, např. Fe₃O₄ (magnetit) nebo Fe₂O₃ (maghemit). Normálně jsou tyto feromagnetické částice náhodně rozptýlené a náhodně orientované v objemu kapaliny. Pokud se ale v blízkosti objeví magnetické pole, částice se uspořádají ve směru siločar a kapalina je spolu s nimi vtahována do oblasti s co nejprudší změnou magnetického pole (obr. 1). Klíčové pro dlouhodobou stálost magnetických kapalin jsou pomocné látky zajišťující dobré navázání kapaliny na povrch částic, tzv. surfaktanty.

Kapalina, kterou je možné rozpohybovat pomocí magnetu

Navenek je možné pozorovat, jak magnetická kapalina ochotně následuje pohybující se permanentní magnet i proti zemské přitažlivosti (obr. 2), nebo naopak jak lze její proudění přerušit pomocí permanentního magnetu. Testují se možnosti cíleného navádění účinných látek v lidském těle přímo na potřebné místo. V přítomnosti magnetického pole také výrazně narůstá viskozita magnetické kapaliny, čehož se již dlouho a s úspěchem využívá v adaptivních systémech tlumičů automobilů. Obsažené kovové částice také zlepšují odvod tepla, což například pomáhá chladit reproduktory a nově se testuje také využití v distribučních transformátorech. Tím však výčet zajímavých vlastností magnetických kapalin nekončí. Tělesa ponořená v magnetické kapalině jsou v magnetickém poli nadnášena tzv. ferohydrostatickou vztlakovou silou. Tato síla není závislá na materiálu tělesa a za určitých podmínek (podstatný je vztah mezi hustotou tělesa a hustotou kapaliny, intenzita magnetického pole a její gradient) dovolí tělesu vznést se ode dna nádoby, popř. i vyplavat a zůstat na hladině. V současné době se testuje metoda kontinuální hustotní analýzy hnědého uhlí, která je na tomto principu založena. Zatím nejběžnější aplikace magnetických kapalin – fluidní těsnění – vychází ze silové fixace magnetické kapaliny ke zdroji magnetického pole (např. permanentní magnet). Tímto způsobem je např. možné pomocí olejové magnetické kapaliny prachotěsně uzavřít ložisko a navíc ho i mazat, nebo vytvořit tlakový uzávěr kolem rotující hřídele, který vydrží rozdíl tlaku 100 kPa i více.

Magnetické kapaliny se zkoumají i v Praze

Na katedře elektrotechnologie FEL ČVUT v Praze probíhá v současné době výzkum magnetických kapalin zaměřený na jejich využití ve speciálních tepelných systémech – tepelných trubicích (angl. heat pipes). Tato zařízení dokáží velmi efektivně přenášet teplo na principu uzavřeného dvoufázového koloběhu pracovní látky, a to bez potřeby dalšího zdroje energie. Zatímco v dřívějších dobách byly tepelné trubice doménou především hi‑tech zařízení a technologických procesů, v současné době si úspěšně razí cestu do oblasti běžné spotřební elektroniky. Dnes se s nimi běžně setkáváme např. v notebooku nebo stolním PC, kde odvádějí ztrátové teplo z CPU nebo z grafické karty (obr. 3).

Představme si nyní, že uvnitř tepelné trubice bude místo běžné pracovní látky (voda, ethanol, dusík apod.) magnetická kapalina. Ta v blízkosti magnetického pole výrazně mění své vlastnosti a silově na něj reaguje. Pomocí vnějšího magnetického pole by tedy bylo možné ovlivňovat děje probíhající uvnitř tepelné trubice a tím i regulovat transport tepla.

Slibná budoucnost zatím bez záruky

Metoda řízení přenosu tepla pomocí magnetického pole je prozatím ve fázi vývoje a testování. V předchozích pokusech provedených na katedře elektrotechnologie FEL ČVUT se tuto metodu podařilo již úspěšně aplikovat na tepelnou trubici naplněnou čistým kyslíkem (obr. 4), který je v kapalném stavu silně paramagnetický. Než však bude možné tepelné trubice s magnetickými kapalinami využít v reálných zařízeních je ještě třeba urazit dlouhý kus cesty při jejich vývoji a testování.

Filip Cingroš vystudoval magisterský studijní program Technologické systémy na Fakultě elektrotechnické, ČVUT v Praze, kde nyní dále studuje doktorský program na katedře elektrotechnologie. Má za sebou několik úspěšných výzkumných úkolů, např. Návrh a realizace výkonového tranzistorového měniče pro aktivní filtr účiníku, či Diagnostika a optimalizace elektromagnetických ventilů. Působí jako lektor vzdělávacího programu Elektromagnetická kompatibilita a učitel technických předmětů v anglickém a českém jazyce. V soutěži Cena Nadace ČEZ zvítězil v r. 2010 s projektem Magnetické kapaliny v kategorii Elektrotechnologie a měření a v r. 2011 získal ve stejné kategorii druhé místo za projekt Levitace v magnetických kapalinách. Jeho koníčky jsou vysokohorská turistika, společenský tanec a fotografovaní.

Projekt magnetických kapalin a speciálních tepelných trubic se zúčastnil posledních dvou ročníků národního finále soutěže Cena Nadace ČEZ o nejlepší vysokoškolský vědeckotechnický projekt. Zde se setkal s velkým zájmem odborné i laické veřejnosti a byl kladně hodnocen z hlediska vysoké míry inovačního potenciálu.