本文叙述冰箱怎样改变世界，一幅燃烧时除产生无害的水之外没有别的东西的未来燃料的图画。一种存在于地球上数量几乎无限的燃料；一种今天是许多工业过程中不需要的副产品的燃料。那种产品将像汽油一样可随意使用，它将开动小汽车、载重卡车、剪草机，甚至是火箭。这种材料就是液氢。

但液氢是不能随便使用的，它比汽油贵得多；而且它的液化是如此昂贵，工业上作为副产品生产它根本不能考虑。所有这一切都能改变。美国科学家说，致冷技术的进步也许已经向着实现这个梦想更接近了一点。在10年之内可能会有一种新型冰箱用来冷冻食物，给大型建筑内的空气降温，甚至液化这种梦想的燃料。

这种新式致冷技术的原理是：某些金属磁化时发热，在退磁时冷却——即磁热效应（magnetocaloric）。所以，如果这金属在这种循环中运动，它就能把热从一处传到另一个地方。这种现象于1918年初次发现，从20年代起科学家已用其把物体冷却到接近绝对零度的温度。但是今天磁致冷的一个热门话题是今年初发现的一种磁热材料，铝、铒和镝和合金。它能使这些机器的成本和效率在氢的液化上足以与常规致冷技术竞争。

常规冰箱依赖于一种名为气体压缩循环的过程。在该循环中，泵输送一种易液化气体绕着冰箱运动，吸收其内部的热量并把它转移到外边。当这气体经过冰箱背后的管路时被加压，这使得该气体密度增加并把它的热量扩散到周围。然后液体通过一个阀回到冷冻机部分，那里的压力要低得多，造成液体蒸发，吸收冰箱内部的热并将其转移到外面。

这个过程浪费能量，因为压缩气体和管壁之间有湍流和阻力。实际上，最好的气体压缩式冰箱只有40%的效率。但磁致冷的冰箱不用气体，能达到的理论效率界限高达60%。

其他因素也使磁致冷颇为吸引人。例如，它不涉及绝大多数常规致冷技术使用的冷却气体CFCS。CFCS危害臭氧层，正在被禁止使用。由47个国家签署并于1989年生效的蒙特利尔条约草案号召，到1996年停止生产CFCS。目前已发现了一种令人满意的替代物。

最明显的替代物是HCFCS，它不损害臭氧层。然而，HCFCS是温室气体，如果释放的数量足够大也能使大气留住可观的热量。

热振动

一些科研人员已经提出用丙烷作为致冷剂。但丙烷高度易燃，任何泄露都将造成一场灾难。基地在威斯康辛的美国航天公司的首席科学家卡尔 · 吉姆（Carl Zimm）说。该公司10年来已开发了磁致冷术。吉姆说：“有关的新型致冷剂已创造出像磁致冷那样的替代技术的机会的机会。”

他说明环境的考虑并不是改变的唯一诱因。吉姆估计用于冷冻食品或空气降温的磁学系统比现用设备能少用高达三分之一的电力。那样的系统在10年之内对特定的适当市场是可行的。

目前，接近室温下工作的磁致冷使用了一种稀土金属钆的合金，但它的价值大约是500美元/公斤。吉姆说他的公司正在制造一种较便宜的材料，但它的组成是一个商业秘密。今年初，美国能源部在依阿华州立大学的阿姆斯（Ames）实验室的一名材料学家声称一种铝、铒和镝的合金传热能快30%，这合金也比以前最好的——一种钆和铯组成的合金便宜75%。他估计这种材料能降低整个磁致冷设备全部造价的40%。

但是开发新材料并不是改进磁冰箱运行的唯一途径。另一个途径是提高它们从一处传到另一个的热总量，磁热材料以两种方式贮存热能，因为这种材料中晶格的振动和晶格中每个原子的电子的旋转方式。振动越强，这种旋转越随机，（贮存的）热能越大。当这种材料被置入一个强磁场中，这种旋转将被迫顺该磁场排列，迫使这材料释放出通过原子旋转的效能贮存的任何能量。这能量激化原子，使它们振动更快，造成温度升高。在一台冰箱中，这种材料在磁场去掉之前就能冷却下来。当这种情况发生时这种旋转再度随机地定向，并从晶格吸收能量。这产生出多达10℃的降温。

但是这样的温度降还不够。气体压缩技术取得的冷却幅度达50℃，用磁学技术作同样的事将需要逐步冷却，每一下都依次在更冷的温度下工作。

泵送气体

他们用充满粉末状镍钆合金致冷剂的两个金属圆筒代替所用的磁热材料固体部件。当磁场被放大时粉末的温度升高，然后以泵输送氨气通过这些粉末吸取这些热量。热氦随后经过一个充满液氮的真空（杜瓦）瓶，氮沸腾时（-196℃）带走热量。所以氮相当于这个系统的热端——像厨房用冰箱背后的管路。当磁场去掉时，这些粉末温度下跌，氦气被泵送回通过这些粉末，在运行到这系统的冷端之前在那里就冷却下来。以主动式磁交流换热（regenaration）闻名的这种技术（AMR）之妙处在于粒子间将其彼此分开的空间，它使其能在不同温度下工作，像一系列磁冰箱。即便每个粒子在一个循环中仅变化10℃，最接近冷端的粒子变得比热端的粒子冷得多。科研人员利用AMR已得到高达60℃的冷却幅度。

冷却实验

这些圆筒每5秒钟摆动一次，交替进出一个恒定磁场，取代了开关磁场。用这个圆筒可以把两倍的热量从热端传送到冷端。此时实验的机器仅在-228℃~-188℃之间工作——对于冷冻食品或空气降温来说太低，而用于液化氢或冷却超导磁铁又太高。由于热量漏入该系统，这机器不能达到更低的温度。

吉姆希望将来通过把循环频率提高到每秒10次并减小粉末的粒径制造更好的机器。这样可以增大其总表面积以使每次通过的氦能传送更多的热量。

这种冰箱是与田纳西州美国能源部橡树岭国家实验室的一项联合计划，它们对此计划共同花费了约200万美元。科研人员相信磁致冷能把下一代超导装置冷却到-269℃以下。目前的超导体必须浸入液氨浴槽中，而液氨的生产是很贵的。

这激起了磁冰箱上“先有鸡还是先有蛋”的预测。致冷机所需要的强磁场只能由在液氦温度下运行的超导磁铁来产生，冷却它而又不使用液氨的一条可能的途径是磁致冷。而且磁冰箱可以更便宜地制造而无需液氦。未来的设计可以像冷却它自身的超导磁铁一样液化氢。

建造超导磁铁的成本是磁冰箱之所以如此昂贵的主要理由之一。在1989年，由能源部委托的一项研究估计用于贮藏超级市场上的牛奶和处理食品的磁冷柜（chiller）将价值55000美元左右，相比之下，普通冷柜才卖10000美元。在接近室温的范围（从深度冷冻的-60℃到空调的20℃左右）工作的机器将提供最多的商业机会。美国采暖通风和空调工业在1993年建造了价值超过180亿美元的设备。

氢的迅速发展

的确，廉价液氢的生产可能是磁致冷最早的商业性应用。氢广泛应用于化肥制造、电子器件和玻璃生产，在美国，有半打左右的基地大规模制氢，液化后分配。常规液化时，用液氮将氢预冷到-196℃，然后用气体压缩致冷机把温度逐步降低到-253℃。这种大型设备每天生产20~40吨液化的气体。但是气体压缩循环的效率低下意味着液化气一天少于5吨是不经济的。另一方面，磁致冷机能和大规模气体压缩液化机器一样经济地生产那种数量的液氢。

美国航天公司相信在北美大约有100个地点的工业产量在每天1~5吨氢之间。这些氢作为像工业漂白之类过程的副产品此刻因缺乏成本效益好的液化器而被浪费。巴克莱说：“就在目前，氢的市场正在迅速增加。”

梦想的燃料

但是巴克莱用一种更宏伟的眼光看到磁致冷通过液氢作为通向未来的燃料的基础性应用。氢含有的能量是内燃机燃料的大约四分之一，所以，如果它作为燃料使用的话需要的数量多达4倍。今天，4加仑液氢价值6美元，相比之下1加仑柴油只有1.2美元，磁致冷能把液氢降低到大约4.5美元，但这绝大部分决定于氢本身（的价格）。巴克莱相信，太阳田里生产的氢更便宜，它将发电并把水分子分解成为氢和氧。然后这些氢将用管道送到当地的基地，高效磁冷冻机将在那里将氢液化贮藏并就地分配。这些燃料将开动小汽车、卡车和飞机，它们产生的水蒸气代替了一氧化碳。巴克莱相信如果我们要保护环境他的办法是必需的。“最重要的是，如果我们要在地球上待下去我们就需要一种持久的、可再生的、清洁的能源体系。几乎没有比液氢更好的了。”磁致冷术能使这个美梦成真。

[New Scientist，1994年9月10日]