Nouveaux matériaux à effet magnétocalorique géant autour de la température ambiante et applications à la réfrigération magnétique – MagCool

La production de froid consomme 15% de l'énergie électrique mondiale, est importante dans nombre de secteurs comme l'agroalimentaire, la pharmacie, l'habitat ou le transport. La plupart des machines frigorifiques actuelles est basée sur le principe bien connu et bien maitrisé de compression/détende d'un gaz, mais cette technologie génère une émission de CO2 et des fuites de fluides frigorigènes (HCFC, CFC…) contribuant à la destruction de la couche d’ozone et à l’effet de serre). Les fluides de substitution en cours de d'étude posent des problèmes de mise en œuvre ou d'efficacité.
Par une rupture technologique complète, la réfrigération magnétique permet des systèmes compacts, silencieux, propres et à haut rendement énergétique. Cette technologie s'appuie d'abord sur l’effet magnétocalorique (EMC) géant de certains matériaux magnétiques autour de la température ambiante. Cet effet permet d'augmenter ou diminuer la température du matériau lors de leur aimantation ou désaimantation adiabatique autour de la température de transition de phase magnétique. Une séquence "aimantation/échanges thermiques vers froid/désaimantation/échanges thermiques vers chaud" permet ainsi un nouveau cycle de Carnot de machine frigorifique, très différent d'une machine actuelle.
La problématique de cette technologie se segmente en 4 axes abordés dans ce projet:
1/trouver des matériaux EMC géant consommant peu ou pas d'éléments rares (TR par ex),
2/ produire un de ceux-ci à petite échelle (kg) par des procédés industrialisables,
3/ mettre en forme ces matériaux (souvent des poudres) en pièces statoriques de machine pour assurer un échange thermique performant avec le caloporteur,
4/accroitre l'efficacité électromagnétique des systèmes en optimisant, voire repensant l'interaction entre source de champ et EMC. Ces thématiques et technologie nouvelles (10 ans environ) sont ainsi très pluridisciplinaires, et seront appliquée in fine dans le projet à un dispositif optimisé de réfrigération magnétique.
Les porteurs du projet ont tous travaillé récemment sur un des axes de la problématiques, et certains ont déjà une activité de collaboration principalement appuyée sur les matériaux EMC Gd et FeSiLa: on citera AMSNA-ERASTEEL pour la production de poudre, AMSNA-McPhy-INSTITUT NEEL/CRETA-G2Elab-Cooltech pour leur fonctionnalisation et test sur démonstrateur. Ces collaborations existantes ont permis d'atteindre de petite production de poudre (kg de FeSiLa) au niveau de performance de Gd, encore bien en dessous du potentiel connu.
Ce projet procède d'une approche principalement expérimentale (mais aussi théorique et modélisation-système) centrée sur les matériaux allant de la recherche de base et exploratoire (INSTITUT NEEL/CRETA, ICMCB, CRISMAT) à l'innovation et optimisation des machines frigorifiques (Cooltech, G2Elab, LGeCo) en passant par la recherche appliquée de développement & innovation de matériaux EMC géant sur procédé industrialisable (McPhy, ERASTEEL, AMSNA, CRETA). Notre pays a la chance de disposer ici de tous les acteurs universitaires ou industriels indispensables tant à l’acquisition de Know How (fort potentiel de caractérisation notamment) qu’à l’étude de transposition industrielle, sur l’ensemble de la chaine allant de la physique des matériaux, leur métallurgie, leur production (atomisation), leur fonctionnalisation (homogénéisation , insertion H), le compounding et la conception/optimisation/modélisation du système de machine frigorifique. Aussi ce projet vise à fédérer et à soutenir ce consortium de compétences et de ressources pour préparer le développement industriel de cette nouvelle technologie sur notre sol, avec une place de leader et pionnier.