Magnetokalorische Effekte 23.09.2019, 13:07 Uhr

Magnetische Kühlung aussichtsreichstes Kühlverfahren der Zukunft

Künftig benötigen wir mehr Energie zum Kühlen als zum Heizen. Grund genug, ein Blick auf die vorhandenen Kühlmaterialien, ihre Effizienz und Umweltverträglichkeit zu werfen. Nun legten Forscher aus Dresden und Darmstadt eine erste Materialbibliothek vor.

Der magnetokalorische Effekt besagt, dass bestimmte Materialien ihre Temperatur in einem Magnetfeld verändern.
Foto: HZDR / Juniks

Der magnetokalorische Effekt besagt, dass bestimmte Materialien ihre Temperatur in einem Magnetfeld verändern.

Foto: HZDR / Juniks

Zukunftsforscher haben herausgefunden, dass die Menschheit im Jahr 2060 mehr Energie zum Kühlen als zum Heizen benötigen wird. Behalten die Wissenschaftler Recht, erfolgt beim globalen Energiekonsum in Zukunft ein krasser Paradigmenwechsel. Wir benötigen mehr und mehr Kühlanwendungen in unserem Alltag und vergrößern damit kontinuierlich unseren ökologischen Fußabdruck. Schon heute stellt sich die zentrale Frage: Mit welchen Mitteln können wir dieser Problematik entgegensteuern?

Die veraltete Kühltechnologie und ihre Folgen

Seit Hunderten von Jahren wird künstliche Kälte mithilfe der konventionellen Gaskompression erzeugt. Leider hat sich die Technologie im Laufe dieser langen Zeit kaum verändert. Experten schätzen, dass in der heutigen Zeit weltweit 1 Milliarde Kühlschränke auf dieser veralteten Technologie basieren. Die Tendenz ist sogar steigend. Die veraltete Kühltechnik ist der größte Stromverbraucher im Haushalt und aufgrund der eingesetzten Kühlmittel problematisch für die Umwelt. Forscher der Technischen Universität Darmstadt und des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) haben alle infrage kommenden Kühlmaterialien im Hinblick auf ihre Zukunftstauglichkeit untersucht. Auf Basis der gesammelten Forschungsergebnisse entstand die erste, systematische Materialbibliothek samt allen wichtigen Kenngrößen.

Wie lässt sich eine magnetische Kühlung realisieren?

Gemäß der gewonnenen Erkenntnisse könnte der sogenannte „magnetokalorische Effekt“ das Herzstück von künftigen Kühltechnologien werden. Verschiedene Metalle und Legierungen können schlagartig ihre Temperatur verändern, sobald sie einem magnetischen Feld ausgesetzt werden. Die Forschung kennt bereits einige magnetokalorische Substanzen. Es muss jedoch noch die Frage geklärt werden, ob sich diese Substanzen für die massenhafte Nutzung in Haushaltsgeräten eignen.

Um dies zu überprüfen, sammelten die Wissenschaftler Daten zu den Stoffeigenschaften –und stießen  recht schnell auf größere Schwierigkeiten. Unter anderem stellten sie fest, dass das Profil und die Stärke des Magnetfelds sowie weitere Messbedingungen nicht miteinander verglichen werden können. Infolgedessen lassen sich die erzielten Ergebnisse ebenfalls nicht miteinander vergleichen. Um dieses Problem zu lösen, verwendeten die Wissenschaftler schließlich ein extrem aufwendiges Messprogramm. Dieses deckt die gesamte Breite aller aktuell aussichtsreichen, magnetokalorischen Werkstoffe sowie deren Eigenschaften ab.

Die Forscher aus Darmstadt und Dresden konnten aufgrund der Kopplung der thermodynamischen Betrachtungen und der hochgenauen Messungen in sich konsistente und verständliche Stoffdatensätze generieren. Die Messdaten werden die Auswahl von zweckmäßigen Materialen für die verschiedenen Anwendungen der magnetischen Kühlung in Zukunft deutlich erleichtern.

So soll die magnetische Kühlung funktionieren

Welches Material sich für eine magnetische Kühlung eignet, hängt von verschiedenen Kenngrößen ab. Alle Parameter müssen passen, damit das Material die über Jahrzehnte bewährte Haushaltskühltechnik ersetzen und ablösen kann.

  • Die Kühlmaterialien von morgen müssen bei Raumtemperatur eine so hohe Temperaturänderung erzielen, dass sie zur gleichen Zeit viel Wärme abführen.
  • Die verwendeten Rohstoffe dürfen weder begrenzt vorkommen noch schwer ersetzbar sein.
  • Die Materialien dürfen weder schädliche Eigenschaften für die Gesundheit noch für die Umwelt besitzen.

Die magnetische Kühlung ist damit das beste Beispiel für die große Herausforderung der Energiewende, denn diese ist ohne geeigneten Materialien keinesfalls nachhaltig umsetzbar. Der aktuelle, magnetokalorische Maßstab, heißt bei Raumtemperatur „Gadolinium„. Setzt man das Seltenerdelement einem 1 Tesla starken Magnetfeld aus, verändert sich die Temperatur um rund 3 Grad Celsius. Die Stärke des anzulegenden Magnetfelds entspricht dabei einem leistungsfähigen, kommerziellen Dauermagneten. Dieser soll vor allem aus wirtschaftlichen Gründen in den künftigen, magnetokalorischen Kühlschränken verwendet werden.

Gadolinium wird nicht der Stoff der Zukunft sein

Die Aussichten sind trotz der herausragenden Eigenschaften von Gadolinium im Hinblick auf den Einsatz zu Kühlzwecken in Haushalten nicht rosig. Dies liegt daran, dass das Element zu denjenigen Seltenerdmetallen gehört, die auf lange Sicht nur unsicher beschafft werden können. Setzt man auf die gleiche Bauweise, könnten eventuell Wärmeüberträger aus Eisen-Rhodium-Legierungen eine möglichst große Wärmemenge pro Kühlzyklus abführen. Leider stuft die EU-Kommission die Versorgungssicherheit des Platingruppen-Metalls Rhodium als überaus kritisch ein. Neben diesen beiden Materialien entdeckten die Wissenschaftler jedoch einige Kandidaten, bei denen sämtliche Komponenten langfristig ohne Probleme verfügbar und zur gleichen Zeit überaus leistungsfähig sind.

Intermetallische Verbindungen als Kühlmaterial der Zukunft

Am vielversprechenden sind aktuell die intermetallischen Verbindungen aus den verschiedenen Elementen Eisen, Silizium, Mangan oder Lanthan. Wird bei diesen Elementen Wasserstoff in einem Kristallgitter eingelagert, können diese das Gadolinium im Hinblick auf die maximal entziehbare Wärme übertreffen. Darüber hinaus sind sich die Forscher von der TU Darmstadt und vom HZDR sicher, dass bald weitere Materialien folgen werden.

Aktuell arbeiten die Wissenschaftler intensiv am Ausbau ihrer Materialpalette für eine magnetische Kühlung. Beide Einrichtungen bereiten gerade einige neue Versuchsreihen vor. In diesen sollen die Eigenschaften von weiteren magnetokalorischen Substanzen untersucht werden. Im Hochfeld-Magnetlabor in Dresden werden die Wissenschaftler untersuchen, wie sich die magnetokalorischen Substanzen in einem gepulsten Magnetfeld verhalten. Des Weiteren arbeiten die Wissenschaftler an neuen Demonstratoren. Mit diesen wollen sie die Effizienz der magnetischen Kühlung testen und beweisen.

Auch das individuelle Verhalten der Materialien unter Bedingungen wie mechanischem Stress, Magnetfeldern und Temperaturveränderungen soll untersucht werden. Sämtliche Arbeiten werden durch den Europäischen Forschungsrat (ERC) gefördert und bekommen finanzielle Mittel aus dem europäischen Forschungs- und Innovationsprogramm Horizon 2020. Weitere Unterstützung erhalten die wissenschaftlichen Arbeiten durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), das Hochfeld-Magnetlabor in Dresden und durch die Exzellenz Graduiertenschule für Energiewissenschaft und Energietechnik in Darmstadt.

 

Das Prinzip ist übrigens gar nicht so neu. Bereits 2013 berichtete ingenieur.de: „Kühlschränke werden schon bald magnetisch gekühlt“.

Kühlende Technik: Klimatisierung und Klimawandel verstärken sich gegenseitig

Von ingenieur.de

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