Kühlschränke werden schon bald magnetisch kühlen
Kühlschranktüren und Magnetpins scheinen wie füreinander gemacht: Kaum ein Haushalt, an dem keine Postkarten, Rezepte oder Fotos mit kleinen Magneten an den Kühlschrank geheftet sind. In Zukunft sollen beide eine ganz neue Art der Symbiose eingehen: Moderne Geräte kühlen magnetisch.
Prüfstand für magnetokalorische Materialien: Ein Forscherteam des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Wirkstoffforschung in Dresden schlägt magnetische Formgedächtnislegierungen als Material für magnetische Kühlschränke vor. Von rechts nach links: Jian Liu, Tino Gottschall, James Moore und Konstantin Skokov.
Foto: IFW Dresden
Die Kältetechnik steht vor einem tiefgreifenden Wandel. „Es ist nur noch eine Frage der Zeit, zwei, drei Jahre vielleicht“, sagt der Physiker Karl Sandeman vom Imperial College in London. Neue Kühlgeräte sollen nicht anders als bisher aussehen. Aber sie benötigen nur halb so viel Energie und sind mucksmäuschenstill, so die Vision. In ihrem Inneren erzeugen erstmalig Spezialmaterialien in einem Magnetfeld die nötige Kälte. Sie ersetzen die verbrämten Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW), verwandte Fluorkohlenwasserstoffe und andere Kältemittel.
Das erste Modell eines magnetischen Kühlschranks testet derzeit Whirlpool, einer der weltgrößten Hausgerätehersteller. Ein mannshoher schmuckloser weißer Kasten mit besonderen inneren Werten: Er verbraucht knapp halb so viel Strom wie Standardgeräte und erreicht die beste Energieklasse A+++. Rund 15 % ihrer Energie verbrauchen Industrienationen für die Kälteproduktion.
Geheimforschung an Technik für magnetische Kühlung
Neben Whirlpool arbeiten Hausgerätehersteller auf der ganzen Welt, so auch Toshiba, an der Umstellung auf die magnetische Kühlung – die meisten im Geheimen. Das französische Unternehmen Cooltech in Straßburg kündigt für 2013 erste Geräte für industrielle Anwendungen an – mutmaßlich für Lebensmittelbetriebe.
Die deutschen Unternehmen Vaccuumschmelze und BASF wetteifern derzeit um die besten Materialien, die im Magnetfeld Kälte liefern. Es geht um einen gigantischen Markt. Alleine 180 Mio. Kühlgeräte werden pro Jahr verkauft. Magnete sollen künftig aber auch Klimaanlagen, Gefrierschränke und Kühlsysteme für Kaufhäuser bestücken.
Der Zeitpunkt für den Umbruch könnte kaum besser sein: Nach und nach verbannen Politiker fluorierte Kältemittel. Den Anfang machten 1991 in der EU die FCKW. Seit 2011 verbietet die EU auch das fluorierte Kältemittel R 134a in Neuwagen. Weil Klimaanlagen und Kühlschränke sich aber weltweit rasant verbreiten und die Fluorchemikalien noch nicht überall verboten sind, produzieren Fabriken trotzdem immer mehr dieser klimaschädlichen Stoffe.
Die Magnetkühlung wäre die perfekte ökologische Alternative. Ingenieure bauten schon vor 2010 weltweit 41 Prototypen, einen davon der Kühltechnikexperte Peter Egolf von der Ingenieurhochschule im schweizerischen Yverdon-les-Bains. Seine Erfindung glich mit Dutzenden Kabeln und viel blankem Metall eher einem Physikapparat als einem Haushaltsgerät. Aber sie kühlte. Und beeindruckte so sehr, dass Egolf mehrere Preise einheimste.
Neue Legierung macht magnetische Kühlung serienfähig
Beflügelt vom Erfolg, kündigte er die ersten kommerziellen Geräte an. Aber nichts geschah. „Meine Vorhersagen haben sich nicht erfüllt“, sagt der Mann, der eine europäische Expertengruppe zur magnetischen Kühlung leitet, heute reumütig. Egolf hatte zwei Dinge übersehen. Die Industrie sprang bis vor wenigen Jahren nicht in großem Stil auf die Magnettechnik an. Und die Prototypen vor 2010 basierten fast alle auf Gadolinium als Kältelieferant. Dieses Material ist zu teuer und in viel zu geringen Mengen auf dem Markt.
Die Idee der Magnetkühlung wäre wohl in der Versenkung verschwunden, hätten nicht mehrere Forscher unabhängig voneinander zwei entscheidende Entdeckungen gemacht. Feng-Xia Hu in China und Asaya Fujita in Japan fanden eine Legierung aus Lanthan, Eisen und Silizium, die im Magnetfeld reichlich Kälte liefert.
Kurz darauf beschrieb der Niederländer Ekkes Brück an der TU Delft eine weitere Legierung aus Mangan, Eisen, Phosphor und Arsen, die ebensolches kann. Beide Werkstoffe lassen sich preiswert in großen Mengen erzeugen.
Vacuumschmelze und BASF haben neue Werkstoffe entwickelt
Der Magnethersteller Vacuumschmelze in Hanau stieg daraufhin in die Forschung ein. Das Unternehmen setzt auf das Material aus Fernost, weil es kein giftiges Arsen enthält. Seit 2007 stellt Vacuumschmelze daraus filigrane Plättchen für rund 20 Partner auf der ganzen Welt her. Zurzeit bereitet das Unternehmen die industrielle Produktion im Tonnenmaßstab vor. Konkurrent BASF stürzt sich dagegen auf den Werkstoff von Ekkes Brück.
„Wir sind in der vorkommerziellen Phase. In den nächsten Monaten und Jahren werden wir die ersten Geräte sehen“, ist sich Entwicklungschef Matthias Katter bei Vacuumschmelze sicher. Dass die Technik auf den letzten Metern scheitert, hält er für ausgeschlossen.
Ein Problem ist geblieben. Damit die Legierungen Kälte erzeugen, müssen sie in ein Magnetfeld gebracht werden, üblich sind Permanentmagnete. „Die dafür erforderlichen Magnete kosten alleine rund 300 €. Solche Kühlschränke sind deshalb deutlich teurer als landläufige Geräte“, analysiert Egolf.
„Die ersten Modelle werden Premiumdesignerprodukte mit ‚Green Touch‘ sein und sich an Kunden richten, die dafür gerne 1000 € hinlegen“, bestätigt Katter. Für Supermärkte und Lebensmittelbetriebe könnte sich die teure Anschaffung dennoch lohnen, weil sie ihren Energieverbrauch halbieren und so die Betriebskosten senken.
Kleine Kühlgeräte für das Auto denkbar
Viele Entwickler hoffen, dass die Kosten der Magnetkühlgeräte bald auf das Niveau vergleichbarer traditioneller Modelle fallen. Egolf ist in diesem Punkt skeptisch. Ihn stachelt der hohe Preis vielmehr zur Forschung an. Er möchte die Magnetkühlungen miniaturisieren. Dann bräuchte er weniger Magnetmaterial und damit weniger Geld.
„Wenn das gelingt, kommen wir ins Auto hinein. Und die Magnetkühlung wird sehr, sehr erfolgreich werden“, frohlockt Egolf. Denn jedes Jahr versehen Konstrukteure 10 Mio. Fahrzeuge mit Klimaanlagen. Nicht nur in Autos. Auch auf Schiffen, in Zügen und Flugzeugen zählt jeder Zentimeter, jedes Kilogramm. Leichte Miniklimaanlagen kämen dem entgegen.
Nissan, Fiat und ein französischer Autobauer forschen seit Kurzem an der Magnetkühlung. Können sie erfolgreich sein? „Daran glaube ich fest“, ruft Egolf aus und vor Euphorie überspringt seine Stimme eine Oktave. Doch dann zügelt er sich: „Das wird wirklich noch einige Jahre dauern. Denn mit der Entwicklung der Miniklimaanlagen haben wir gerade erst begonnen.“
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