Kälte ohne Klimagase: Magnetische Kühlung durchbricht Dilemma
In vielen Kälteprozessen werden klimaschädigende Betriebsstoffe eingesetzt. Ein internationales Konsortium stellt nun mit der magnetischen Kühlung eine nachhaltige Alternative vor.
In Klimaanlagen und Kühlschränken kommen Kältemittel zum Einsatz. Die magnetische Kühlung soll nun eine umweltfreundliche Alternative bieten.
Foto: Smarterpix/DJSrki
Klimaanlagen, Kühlschränke und industrielle Kälteanlagen haben eines gemeinsam: Sie nutzen einen Kreislaufprozess mit einem Kältemittel. Ein Anlagenteil komprimiert das Medium, damit es später auf der Verdampferseite Energie aufnimmt. Das bewirkt den Kühleffekt. Experten sprechen von einem Dampfkompressionszyklus. Aufmerksamkeit bekam der Prozess durch das Verbot der lange Zeit genutzten Kältemittel auf Basis von Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKW), einem klimaschädlichen Gas.
Das bisherige Dilemma mit der Kühlleistung
Inzwischen gibt es verschiedene Alternativen. Doch bislang gibt es ein grundlegendes Dilemma, das Forschende weltweit beschäftigt: Materialien mit hoher Kühlleistung leiden häufig unter irreversiblen Energieverlusten. Der als Hysterese bekannte Effekt führt dazu, dass die Kühlleistung unter Betriebsbedingungen schnell abnimmt. Umgekehrt erreichten die herkömmlichen, langlebigen Materialien nicht die für praktische Anwendungen erforderliche hohe Kühlleistung.
Forschende eines internationalen Konsortiums, darunter das NIMS in Japan, die TU Darmstadt und weitere renommierte Institute, haben nun in „Advanced Materials“ eine Studie veröffentlicht, die ein bedeutender Fortschritt in der Kühltechnologie sein könnte. Sie betrachten eine magnetische Kühlung als umweltfreundliche Alternative. Konkret geht es dabei um den magnetokalorischen Effekt (MCE). Das ist ein Phänomen, bei dem bestimmte Materialien ihre Temperatur ändern, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt werden.
Neues Materialdesign beim Kältemittel sorgte für Durchbruch
Der entscheidende Durchbruch ist demnach durch einen neuartigen Ansatz im Materialdesign gelungen. Durch die gezielte Feinabstimmung der Atombindungen mittels einer präzisen Kontrolle der chemischen Zusammensetzung konnten irreversible Energieverluste laut dem Team der TU Darmstadt minimiert werden. Die Studie konzentrierte sich dabei auf eine Verbindung aus Gadolinium (Gd) und Germanium (Ge): Gd₅Ge₄. Das magnetische Kühlmaterial erwärmt sich, wenn ein äußeres Magnetfeld die winzigen magnetischen „Spins“ der Atome ausrichtet.
Bei ihrer Arbeit stellten die Forschenden fest, dass die Leistungsminderung dieses Materials auf strukturelle Übergänge während der magnetischen Übergänge zurückzuführen ist. Zur Lösung dieses Problems ersetzte das Team einen Teil des Germaniums durch Zinnatome (Sn). So stellen sie nach eigenen Angaben die kovalente Bindung des Materials gezielt ein.
„Diese chemische Modifikation stabilisiert den Abstand zwischen den Kristallstrukturschichten während der Zustandsänderungen“, heißt es dazu in einer Meldung der TU Darmstadt. Damit werden die atomaren Verschiebungen, die zuvor zur Degradation geführt hatten, wirksam gedämpft.
Schlüssel zur nachhaltigen Verflüssigung von Gasen
Laut den Forschenden sind die Auswirkungen dieser gezielten Anpassung tiefgreifend. Die effiziente Arbeitsweise dieser Materialien bei extrem tiefen Temperaturen im Bereich von circa -233 °C bis -113 °C macht sie demnach „zu einer hervorragenden Wahl für die Verflüssigung von Gasen wie Wasserstoff, Stickstoff und Erdgas“. Sie seien somit eine Schlüsselkomponente bei der Entwicklung umweltfreundlicher Gasverflüssigungstechnologien.
Das Material behalte nun seine Kühlleistung über wiederholte Zyklen hinweg bei und erreiche gleichzeitig mehr als eine Verdopplung der reversiblen adiabatischen Temperaturänderung von 3,8 °C auf 8 °C. Der Durchbruch verbessere demnach sowohl den magnetokalorischen Effekt als auch die Gesamtbeständigkeit des Materials und ebne damit den Weg für nachhaltige und leistungsstarke magnetische Kältemittel.
Künftig möchte das Konsortium diese Methodik auf ein breiteres Spektrum von Verbindungen anwenden. Konkret wollen die Forschenden die Technologie auf verschiedene Bereiche der Kühlung und Gasverflüssigung ausweiten.
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