一个多世纪以来，蒸汽压缩技术一直是加热和冷却系统的基础，它依赖于对环境构成重大风险的制冷剂。这些制冷剂会导致全球碳排放，并在泄漏时释放出对人类和生态系统有害的化学物质。
大多数商业化制冷机，都是通过反复压缩和膨胀气体或液体制冷剂来制冷。随着制冷剂的循环，能将热量从房间或设备中吸出带走。然而，压缩机的能耗巨大，并且要是最常用的那些制冷气体泄漏出去的话，它们的每一个分子对大气层的加热效率要比一个二氧化碳分子至少高1，000倍。
美国能源部艾姆斯国家实验室的Slaughter 研究团队开发出了一种磁热热泵，它在成本、重量和性能方面与传统系统相匹配，消除了有害制冷剂。通过优化材料和设计，该泵实现了相当的功率密度，为加热和冷却提供了更环保、更高效的替代方案。
带有楔形切口的基线模型，图片来源：美国能源部艾姆斯国家实验室
磁热热泵通过消除制冷剂排放并以更高的能源效率运行，为加热和冷却提供了一种很有前途的替代方案。然而，到目前为止，磁热装置在所有三个关键领域都难以与蒸汽压缩系统相匹配：重量、成本和性能。这一新进展标志着朝着更可持续的加热和冷却技术迈出了重要一步。
磁热热泵的工作原理是改变施加在磁热材料的磁场，同时泵送流体以移动热量，这通常是用永磁体完成的。该设备的核心包括相对于磁热材料旋转永磁体，并使用磁钢来保持磁场。这三个部分的排列在团队的研究中起着重要作用，因为他们研究了如何使热泵的功率密度更高。
（注：从某种程度上来说，所有磁性材料都会在被置入磁场后升温，在移出磁场后降温，这一特性被称为“磁致热效应”(magnetocaloric effect)。原子通过自身振动贮存能量；而当外加磁场将金属中的电子有序排列，并阻止它们自由移动时，金属原子的振动就会加强，温度随之增加。移除磁场后，温度则会降低。虽然这一效应早在1881年就被发现，但它的商用价值却一直被人忽视。这是因为，从理论上来说，只有在极低的温度下使用超导磁体，才能将这种效应最大化到产生可利用的效果。在1997年，美国能源部爱艾姆斯实验室(U.S. Department of Energy’s Ames Laboratory)的材料科学家偶然发现，一种由钆、硅和锗构成的合金能在室温下显示出巨大的磁致热效应。自那时起，美国宇航公司还陆续把注意力集中在具有同样性质的其他合金上。*科普中国）
提高材料使用和效率
研究团队研究重点还包括评估这些热泵中使用的两种最常见的磁热材料。钆和镧铁硅氢化物基材料。
研究团队表示，在他们的基线设备中，使用单一材料钆来保持简单。镧铁硅材料具有比钆更高的功率能力。因此，这自然会增加功率密度。它们不是那么容易获得，并且需要在一台设备中使用多种材料才能获得良好的性能。在研究团队的评估中，包括了对功率密度最高的器件的性能的估计。
Slaughter 的团队专注于更有效地利用空间和材料，并减少泵高效运行所需的永磁材料和磁钢的数量。这些努力有助于使核心系统部件与当今可用的压缩机的重量相匹配。
研究团队表示，他们能够证明，与当今一些压缩机的功率密度相比，磁致热热泵是有竞争力的，永磁体和磁钢构成了大部分质量，而不是昂贵的磁热材料，这确实有助于负担得起。如果设备的重量大致相同，那么大规模生产的成本也将大致相同。
