نقش مواد مغناطیسی برای کاربردهای انرژی

توسعه انسانی باعث کاهش منابع طبیعی انرژی و تغییرات آب و هوا با عواقب غیر قابل پیش بینی شده است. اکنون انجام و اجرای مفاهیم جدید انرژی برای آینده جامعه صنعتی ما مورد نیاز است. بنابراین امروزه تلاش برای تغییر به انرژی های تجدید پذیر هر سال نسبت به سال گذشته افزایش می یابد. با این حال، استفاده از یک منبع انرژی همیشه حاکی از وجود یک رد پای آن در محیط زیست است.

بنابراین، افزایش بهره وری از زنجیره انرژی از اهمیت زیادی برخوردار است. تبدیل های انرژی شامل : ذخیره سازی، حمل و نقل و تبدیل مجدد آن است. نخست، بهره وری از انتقال برق و استفاده از آن به عنوان جایگزین تدریجی سوختهای فسیلی است، بر این اساس از موتورهای الکتریکی در حمل و نقل باید نام برد. تحقیقات برای مواد جدید با افزایش کارایی ابزاری برای دستیابی به این اهداف متمرکز شده است در این راستا همیشه اثرات مخرب زیست محیطی همواره باید کاهش یابد. مواد مغناطیسی می توانند به این هدف با روش های متعدد  کمک کنند. به عنوان مثال، تبدیل انرژی الکتریکی به کار مکانیکی و بالعکس که با استفاده از موتور الکتریکی و ژنراتور به ترتیب، انجام میشود که دلالت بر استفاده از مواد مغناطیسی سخت و نرم دارد. مواد مغناطیسی سخت و نرم نقش اساسی در بهبود بهره وری، انتقال برق وهمچنین در جایگزینی تدریجی حمل و نقل توسط موتورهای الکتریکی بجای سوخت فسیلی بازی می کنند. مانند وسایل نقلیه و توربین های بادی برای تولید الکتریسیته.  مواد مغناطیسی خواص خود را تا دمای نسبتا بالا حفظ میکنند. امروز تقاضا برای استفاده از آنها بالا است. بدین ترتیب، بهینه سازی مواد مغناطیسی نرم و سخت و گسترش بازه درجه حرارتی آنها  می تواند افزایش قابل توجهی در بهره وری انرژی این دستگاه ها ایجاد نمایند. به غیر از بهبودی بدست آمده، برنامه های کاربردی از طریق بهینه سازی خواص مواد، برنامه های کاربردی جدید مغناطیسی وجود دارد که  می تواند به ما در رسیدن به  انرژی بزرگتر و بهره وری بیشتر کمک کند یکی از آنها تبرید مغناطیسی، است که مترادف با اثرمغناطو- کالری است. توجه به این که یکی بزرگترین مصرف کنندگان برق در بازار، مجتمع ها و واحدهای مسکونی و اداری از طریق تبرید و تهویه مطبوع هستند، بهبود  دستگاه های تبریدی و تهویه مطبوع از طریق بکارگیری فن آوری های مغناطیسی می تواند سبب کاهش بزرگ و معنی داری مقدار مصرف انرژی شود.

همانطور که در بالا نشان داده شد، هدف نهایی دو قسم است:

1-     افزایش بهره وری از انرژی

2-     جلوگیری از استفاده بی رویه از منابع انرژی که محدود هستند.

بخش اول می تواند به آسانی و  با کارایی بالا از مواد مغناطیسی به دست آورده شود. بااین حال، بسیاری از مواد مغناطیسی، حاوی عناصر کمیاب یا استراتژیک هستند، مانند عناصر خاکی کمیاب. باید در نظر داشته باشیم که اگر نیاز به استفاده از این عناصر کمیاب برای استفاده از منابع جدید انرژی گسترده شود، به ما راه حل کاملی برای حل این مشکل نمی دهد. تنها  جایگزینی انجام میدهیم یعنی کمبود مواد مغناطیسی جایگزین کمبود سوخت های فسیلی می شود. بنابراین نیاز به استفاده از مواد جدید است مواد و یا عناصری که فراوان و ارزان باشند و به آسانی وارد فرایند تولید شده و ویژگی های مغناطیسی را حفظ کند و به توان از آنها در موتور، ژنراتور، ترانسفورماتور، یخچال و فریزر مغناطیسی و غیره. بدون به خطر انداختن عملکرد استفاده نمود.  در بر داشت زیر چهار مقاله مورد بررسی قرار گرفته و نمونه هایی از برخی از مواد مغناطیسی و فن آوری ارائه شده که ممکن است به حل و فصل مشکلات  بالا کمک کند، نشان می دهد که چگونه عملکرد مواد مغناطیسی می تواند برای برنامه های کاربردی در حوزه انرژی، بهبودی پایدار ایجاد کند. مقالات این موضوع را به طور کامل پوشش نمی دهد، اما آنها نمونه های مفید ارائه می کنند مبنی بر اینکه  چگونه دانشمندان علم مواد می توانند به بهره وری انرژی کمک می کند. این می تواند بخشی از ابتکارات استراتژیک توسط جوامع حرفه ای باشد. مقاله اول در مورد کاربرد آهنرباهای دائمی غیر عناصرخاکی کمیاب برای موتورهای کششی و ژنراتورها تمرکز دارد. زندگی فعلی ما تحت اثر آهنربای دائمی است که مبتنی بر موتورهای الکتریکی است که در حال حاضر مزایای قابل توجه و انکار ناپذیری در هزینه و کارایی  نسبت به موتورهای الکتریکی مبتنی بر القاء دارند. با این حال، سناریو ممکن است تغییرکند،  اگر آهن رباهای فعلی حاوی عناصرخاکی کمیاب دائمی افزایش هزینه ها در نرخ فعلی را حفظ کنند . این مقاله به مرور کلی امکانات و محدودیتهای آهنرباهای دائمی که فاقد عناصرخاکی کمیاب هستند می پردازد و به ویژگی های که باید بهبود یابند به عنوان یک جایگزین مناسب می پردازد. انتخاب مقرون به صرفه ترین ماده در ماشین های الکتریکی، استفاده از ورق های فولادی همسانگرد است و اگر چه در سال های اخیر بهبودی انقلابی در عملکرد  این مواد مشاهده نشده، لیکن لازم است در مورد رابطه میان کارایی، خواص،  فرایند و ساختار ریز این خانواده از مواد که به طور گسترده استفاده می شود، تجدید نظر شود که نشان از نوآوری مربوطه در این زمینه پس از آخرین مواد ساخته شده است. این بررسیها موضوع بخش دوم است. مقاله سوم ارائه یک برنامه کاربردی است که در آن بهبود مواد مغناطیسی نرم تاثیر قابل توجهی در کارایی دستگا ها با قدرت بالا، فرکانس بالا و مبدل های قدرت دارد.  تقریبا تمام الکتریسیته تولید شده  نیاز به نوعی تبدیل و تحول و بهبودی در مواد مغناطیسی نرم دارند که نتیجه مهم آن کاهش تلفات در آنها است. با این حال، بیشترطراحی های جمع و جور تنها زمانی میتواند امکان پدیز باشدکه  مواد مورد استفاده در  آنها خواص مغناطیسی نرم خود را تا دماهای بالا حفظ کنند. نمی توانیم فراموش کنیم که صرف نظر از منبع، همه تولید انرژی و تبدیل آن شامل، هزینه های زیست محیطی است. ایالات متحده به عنوان یک مثال در نظر گرفته می شود ترکیبی شامل ساختمان های مسکونی و تجاری42 ٪ از کل مصرف انرزی را بخود اختصاص می دهند. مصارف مربوط به کنترل درجه حرارت (گرمایش فضا، خنک کننده، تبرید) به تنهایی 50٪ از مصرف انرژی در خانه ها و 50 درصد در ساختمان های تجاری است. در نتیجه افزایش در کارایی انرژی سیستم های تبریدی اثر قابل توجه در صورتحساب های  انرژی دارد. مقاله چهارم از این سری به ارائه برخی نتایج در مواد مغناطو  کالریک می پردازد که تلاش در بهینه سازی ظرفیت مبرد به ازای هر دلار هزینه مواد با استفاده از آلیاژهای انتقال مبتنی بر فلزات واسطه دارد.