Désaimantation adiabatique

La réfrigération magnétique fait partie de la poignée de technologies avec notamment les réfrigérateurs à dilution, capables de refroidir à quelques millikelvins. Historiquement, c’est la première technologie permettant d’atteindre les très basses températures. Les premières démonstrations expérimentales remontent à 1933, par Giauque et MacDougall, d’une part, et de Haas, Wiersma et Kramers d’autre part. Ces expérimentations ont permis d’ouvrir un nouveau champ dans l’étude de la matière. Cette technologie a, par la suite, été quasiment abandonnée en laboratoire au profit des réfrigérateurs à dilution, plus souples, capables de produire du froid continu et d’assurer une puissance froide importante, même aux plus basses températures.
La réfrigération adiabatique est aujourd’hui l’objet d’un regain d’intérêt dans le domaine de la cryogénie spatiale. Les futures missions spatiales ont en effet besoin de température inférieure à 100 mK et seule pour l’instant la réfrigération magnétique permet d’atteindre les performances nécessaires en terme de puissance de refroidissement.

Principe de la désaimantation adiabatique

De façon générale, refroidir revient à réduire l’entropie du système. La réfrigération magnétique ne déroge pas à la règle et joue sur l’entropie magnétique.
Considérons un matériau paramagnétique. Il est constitué une collection de moments magnétiques assimilables à autant d’aimants de la taille d’un atome ou d’une molécule. Comme les aimants, les moments magnétiques se caractérisent par une orientation et une intensité. De la même façon que deux aimants peuvent interagir, les moments magnétiques interagissent entre eux au sein du matériau. La particularité du paramagnétisme réside dans la faiblesse de cette interaction. L’agitation moléculaire (l’agitation thermique) l’emporte, avec pour conséquence une orientation aléatoire des moments qui crée du désordre, de l’entropie. Celle-ci est liée au nombre d’orientations possible des moments (défini par la physique quantique).
Plaçons le matériau paramagnétique dans un champ magnétique extérieur (produit par une bobine par exemple). Comme l’aimant de la boussole s’aligne sur le champ magnétique terrestre, les moments du matériau vont s’aligner sur la direction et le sens du champ. Ceci d’autant plus facilement que les moments sont en faible interaction. Plus le champ est intense, plus il y aura de moments magnétiques alignés. Le désordre est réduit, l’entropie diminue. La transformation est exothermique : c’est l’effet magnétocalorique. En pratique, le matériau est lié à un bain thermique isotherme pour évacuer la chaleur produite lors de l’aimantation.
Isolons maintenant thermiquement le matériau, et réduisons le champ magnétique. Les moments magnétiques vont retourner à leur orientation aléatoire, ce qui demande de l’énergie. Le système étant isolé, les moments vont puiser dans l’énergie thermique et la température du matériau va baisser : c’est le principe de la désaimantation adiabatique.

Une mini désaimantation adiabatique pour le spatial

Techniquement, un étage de désaimantation est composé du réfrigérant, le sel paramagnétique, et d’un moyen de produire un champ magnétique variable. Le choix du réfrigérant dépend de la plage de température à laquelle il est prévu que l’étage fonctionne. En dessous du Kelvin, plusieurs réfrigérants sont disponibles, la plupart sont des aluns dont le magnétisme se base sur des ions fer, chrome ou c&uacutm;2ium. Leur intérêt réside dans le fait qu’ils contiennent de l’eau qui sert de cage isolant les moments magnétiques les uns des autres.
Le champ magnétique en cryogénie est aujourd’hui produit par des bobines supraconductrices. Pour le produire avec l’intensité nécessaire au fonctionnement de la désaimantation, il faut soit multiplier les boucles de courant et alourdir la bobine, soit prévoir l’utilisation d’un courant important. En environnement spatial, les budgets masse et énergie sont limités et un compromis entre masse et courant doit être trouvé. Or, plus un étage de désaimantation travaille à haute température, plus le champ magnétique nécessaire à son fonctionnement est élevé et plus le compromis est difficile à atteindre.

Pour pallier ce problème, nous proposons de pré refroidir une désaimantation adiabatique par un réfrigérateur a adsorption 3He. Le réfrigérateur à adsorption permet de refroidir la désaimantation à environ 300 mK pour un poids de moins de 1 kg. A ces températures, la désaimantation adiabatique n’a plus besoin de champ intense pour obtenir les performances attendues (moins de 1T, cf figure ci-dessous).

 

 

L’agence spatiale européenne s’est montrée intéressé par ce système et nous avons remporté un appel d’offre pour développer un système de refroidissement continu à 50 mK pesant moins de 5kg. Nos développements actuels portent sur ce système.



Dernier prototype testé au laboratoire

 

Maj : 05/11/2010 (461)

 

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