ในสถานการณ์ที่ปริมาณการใช้พลังงานไฟฟ้าของประเทศเพิ่มขึ้นทุกปี ประกอบกับความกังวลเกี่ยวกับปัญหาด้านการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศซึ่งส่งผลต่อการเกิดภัยพิบัติทางธรรมชาติในรูปแบบต่าง ๆ ที่มีความรุนแรงมากขึ้นทั่วโลกมีสาเหตุหลักมาจากการเผาไหม้เชื้อเพลิงฟอสซิลเพื่อแปรรูปเป็นพลังงานในรูปแบบอื่น ๆ เช่นพลังงานไฟฟ้า พลังงานความร้อน เป็นต้น เพื่อตอบสนองต่อความต้องการของมนุษย์ พลังงานไฟฟ้าถูกนำไปใช้ในเครื่องจักร ตลอดจนอุปกรณ์ต่างๆ ในทุกภาคส่วน ระบบทำความเย็นเป็นอุปกรณ์หนึ่งที่มีการใช้พลังงานไฟฟ้าค่อนข้างมากและมีการใช้งานอย่างแพร่หลายทั้งในภาคอุตสาหกรรม ครัวเรือน หรือในอาคารต่าง ๆ นักวิทยาศาสตร์จึงพยายามคิดค้นเทคโนโลยีระบบทำความเย็นรูปแบบใหม่ ที่มีประสิทธิภาพพลังงานสูงและสามารถลดผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อมอันเกิดจากการใช้สารทำความเย็นในระบบทำความเย็นแบบอัดไอซึ่งมีการใช้งานอยู่ทั่วไป ซึ่งหนึ่งในเทคโนโลยีดังกล่าวคือ “ระบบทำความเย็นพลังงานแม่เหล็ก” หรือ “Magnetic refrigeration system”
ระบบทำความเย็นพลังงานแม่เหล็กทำงานบนหลักการของ Magnetocaloric effect ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ที่จะเกิดขึ้นกับ Magnetocaloric Material (MCM) รูปที่ 1 แสดงถึงหลักการพื้นฐานของ magnetocaloric effect กล่าวคือ เมื่อวัสดุ MCM อยู่ภายใต้อิทธิพลของสนามแม่เหล็ก (Magnetic Field) โมเลกุลภายในวัสดุ MCM จะมีการจัดเรียงตัวกันอย่างเป็นระเบียบในทิศทางเดียวกันส่งผลให้อุณหภูมิของวัสดุ MCM มีค่าสูงขึ้น ในขณะที่ค่าเอนโทรปีแม่เหล็ก (Magnetic Entropy) นั้นลดลง ในทางกลับกัน เมื่อวัสดุ MCM ไม่ได้อยู่ภายใต้อิทธิพลของสนามแม่เหล็ก การจัดเรียงโมเลกุลภายในวัสดุ MCM จะกลับไปสู่ความไม่เป็นระเบียบอีกครั้ง ส่งผลให้ค่าเอนโทรปีแม่เหล็กเพิ่มขึ้น และส่งผลให้วัสดุ MCM มีอุณหภูมิลดต่ำลง วัสดุ MCM สามารถนำไปประยุกต์ใช้งานในระบบทำความเย็นได้ โดยเปรียบเทียบกับหลักการทำงานของระบบทำความเย็นแบบอัดไอได้ดังรายละเอียดที่จะกล่าวต่อไป
รูปที่ 2 แสดงหลักการทำงานของ Magnetic refrigeration cycle โดยมีหลักการทำงานแบ่งออกเป็น 4 กระบวนการเช่นเดียวกับการทำงานของระบบทำความเย็นแบบอัดไอ กระบวนการ 1-2 เมื่อวัสดุ MCM ในสภาวะที่ 1 (มีอุณหภูมิ T) อยู่ภายใต้อิทธิพลของสนามแม่เหล็กในสภาวะที่ 2 โมเลกุลภายในวัสดุ MCM จะจัดเรียงตัวกันอย่างเป็นระเบียบ ส่งผลให้อุณหภูมิของวัสดุ MCM เพิ่มขึ้นเป็น T+deltaT ซึ่งกระบวนการนี้จะเหมือนกับกระบวนการที่เกิดขึ้นที่ Compressor ในระบบความเย็นแบบอัดไอ กระบวนการ 2-3 เป็นกระบวนการลดอุณหภูมิของวัสดุ MCM ให้เหลืออุณหภูมิ T โดยใช้หลักการ การระบายความร้อนทิ้งสู่สิ่งแวดล้อม ซึ่งมีลักษณะคล้ายคลึงกับการทำงานของคอยล์ร้อน (Condenser) ของระบบความเย็นแบบอัดไอ กระบวนการ 3-4 เมื่อเรานำวัสดุ MCM ออกจากอิทธิพลของสนามแม่เหล็ก จะส่งผลให้การจัดเรียงโมเลกุลภายในวัสดุ MCM กลับไปสู่ความไม่เป็นระเบียบอีกครั้ง ซึ่งจะทำให้อุณหภูมิของวัสดุ MCM มีค่าลดลงเป็น T-deltaT ซึ่งกระบวนการนี้ จะมีลักษณะคล้ายคลึงกับกระบวนการที่เกิดขึ้นที่ Expansion Valve ในระบบทำความเย็นแบบอัดไอ กระบวนการ 4-1 เป็นกระบวนการที่วัสดุ MCM จะดูดความร้อนจากสิ่งแวดล้อม (Cooling Effect) เพื่อเพิ่มอุณหภูมิจาก T-deltaT ให้มีค่ากลับไปเป็นอุณหภูมิ T อีกครั้งนึง โดยกระบวนการนี้จะมีลักษณะคล้ายคลึงกับการทำงานของ Evaporator ในระบบทำความเย็นแบบอัดไอ
สารตัวนำที่ใช้ในการดูด และระบายความร้อนจากวัสดุ MCM จะเป็น Heat Transfer Fluid ชนิดต่างๆ เช่น Ethylene Glycol หรือ น้ำกลั่น เป็นต้น แต่สิ่งที่มีความแตกต่างจากระบบทำความเย็นแบบอัดไอ คือ สารทำความเย็นของระบบทำความเย็นพลังงานแม่เหล็ก จะอยู่ในสถานะของแข็ง (วัสดุ MCM) แต่ของระบบทำความเย็นแบบอัดไอจะอยู่ในสถานะของไหล (สารประกอบ Chlorofluorocarbon หรือ CFC) ซึ่งเป็นสารที่สามารถทำลายโอโซนในชั้นบรรยากาศได้ ดังนั้นปัญหาการรั่วซึมของสารทำความเย็นที่เกิดขึ้นจากระบบทำความเย็นแบบอัดไอจึงไม่เกิดขึ้นขึ้นกับระบบทำความเย็นพลังงานแม่เหล็ก จึงทำให้ระบบทำความเย็นพลังงานแม่เหล็กเป็นระบบที่เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อม
นอกจากนี้ ข้อได้เปรียบของระบบทำความเย็นพลังงานแม่เหล็กอีกส่วนหนึ่ง คือ ระบบนี้ไม่จำเป็นต้องใช้เครื่องอัดไอเช่นเดียวกับระบบทั่วไป ทำให้สามารถลดลดค่าใช้จ่ายในการเดินระบบและซ่อมบำรุงเครื่องอัดไอซึ่งเป็นอุปกรณ์ที่มีการใช้พลังงานสูงได้ อย่างไรก็ตามการนำระบบดังกล่าวมาประยุกต์ใช้จริงนั้นยังมีข้อจำกัดในเรื่องของวัสดุ MCM (Gadolinium) ที่มีราคาแพงมาก ดังนั้นในขั้นต้นระบบดังกล่าวจะถูกนำมาประยุกต์ใช้กับตู้เย็นที่ใช้ในบ้านเรือนก่อน และถ้าหากในอนาคตนักวิทยาศาสตร์สามารถพัฒนาวัสดุ MCM ที่ราคาถูกกว่ามาทดแทน ก็มีความเป็นไปได้อย่างมากที่จะนำระบบทำความเย็นพลังงานแม่เหล็กไปประยุกต์ใช้กับระบบปรับอากาศ หรือระบบทำความเย็นขนาดใหญ่ในภาคอุตสาหกรรมต่อไป
