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Kühltechnik von morgen Frieren in Zukunft Magnete unsere Tiefkühlpizza ein?

| Autor / Redakteur: Dr. Christine Bohnet*, Jörg Feuck** / Christian Lüttmann

Magnete könnten in Zukunft eine wichtige Rolle für Kühlschränke spielen. In Kombination mit bestimmten Metallen ermöglichen sie eine neue Art der Kühlung – umweltfreundlicher und effizienter. Forscher des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf und der TU Darmstadt haben nun erstmals eine Bibliothek geeigneter Kühl-Materialien zusammengestellt.

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Der magnetokalorische Effekt: In ein Magnetfeld gebracht, ändert sich die Temperatur bestimmter Materialien deutlich. Diesen Effekt wollen Wissenschaftler nutzen, um umweltfreundlichere Kühlgeräte zu bauen.
Der magnetokalorische Effekt: In ein Magnetfeld gebracht, ändert sich die Temperatur bestimmter Materialien deutlich. Diesen Effekt wollen Wissenschaftler nutzen, um umweltfreundlichere Kühlgeräte zu bauen.
(Bild: HZDR, Juniks)

Dresden, Darmstadt – Minusgrade im Hochsommer? Heutzutage kann das jeder zu Hause haben. Seit rund hundert Jahren stehen uns für Haushaltsanwendungen Kühlschränke und Gefriertruhen zur Verfügung, die mittels konventioneller Gaskompression für künstliche Kälte sorgen. Die Technologie hat sich in dieser Zeit jedoch kaum verändert. Nach Schätzungen von Experten sind heute circa eine Milliarde Gaskompressor-Kühlschränke weltweit im Einsatz, Tendenz steigend. „Die Kühltechnik gilt mittlerweile als größter Stromverbraucher in den eigenen vier Wänden. Ebenso problematisch ist die Umweltbelastung, die die eingesetzten Kühlmittel mit sich bringen“, sagt Dr. Tino Gottschall. Er forscht am Hochfeld-Magnetlabor Dresden des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) daher an Materialien für magnetische Kühlprozesse als Alternative zur klassischen Kühltechnik.

Paradigmenwechsel: Mehr Kühlen als Heizen

Für das Jahr 2060 erwarten Zukunftsforscher einen Paradigmenwechsel beim globalen Energiekonsum: Erstmals wird die Menschheit mehr Energie zum Kühlen aufwenden als für das Heizen. Und das hat Folgen: Die steigende Zahl an Kühlanwendungen im Alltag lässt den ökologischen Fußabdruck stetig wachsen. Neue Verfahren wie die magnetische Kühlung könnten diese Belastung für Klima und Umwelt minimieren.

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Das Herzstück dieser vielversprechenden Kühltechnologie ist der „magnetokalorische Effekt“: Bestimmte Metalle und Legierungen ändern schlagartig ihre Temperatur, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt werden. Diverse solcher magnetokalorischer Substanzen sind bereits aus der Forschung bekannt. „Ob sie sich auch für massenhaft verbreitete Haushaltsanwendungen empfehlen, ist jedoch eine andere Frage“, betont Prof. Oliver Gutfleisch vom Institut für Materialwissenschaften der TU Darmstadt. Dies gilt es in den kommenden Jahren zu testen.

Stoffdatenbank für Kühlmaterialien

Als Basis zur Beantwortung dieser Frage trugen die Wissenschaftler Daten zu Stoffeigenschaften zusammen. Jedoch stießen sie dabei schnell auf Schwierigkeiten. „Besonders überrascht waren wir, dass überhaupt nur wenige Ergebnisse aus direkten Messungen in der Fachliteratur zu finden sind“, sagt Gottschall. „Meistens wurden diese Kenngrößen lediglich indirekt aus der beobachteten Magnetisierung berechnet. Wir stellten dabei fest, dass die Messbedingungen wie die Stärke und das Profil des angelegten Magnetfelds bis hin zum Messregime nicht miteinander vergleichbar sind – und damit auch nicht die erzielten Ergebnisse.“

Um diese Unstimmigkeiten bei den bisher publizierten Stoffparametern auszuräumen, legten die Forscher ein aufwändiges Messprogramm auf, das die ganze Bandbreite der derzeitig aussichtsreichsten magnetokalorischen Werkstoffe und deren relevante Materialeigenschaften abdeckt. Durch die Kopplung von hochgenauen Messungen und thermodynamischen Betrachtungen haben die Wissenschaftler aus Dresden und Darmstadt in sich konsistente Stoffdatensätze generiert. Sie präsentieren mit ihrer Arbeit nun einen Grundstock an Daten, der die Auswahl zweckmäßiger Materialien für unterschiedliche Anwendungen zur magnetischen Kühlung erleichtern soll.

Eigenschaften und Verfügbarkeit des Materials müssen passen

Ob sich ein Material für die magnetische Kühlung eignet, wird letztendlich durch verschiedene Kenngrößen bestimmt. Nur bei einer passenden Kombination dieser Parameter kann es mit der Jahrzehnte bewährten Haushaltskühltechnik konkurrieren. „Die erzielte Temperaturänderung bei Raumtemperatur sollte groß sein und sich gleichzeitig möglichst viel Wärme abführen lassen“, beschreibt Gottschall die wesentlichen Anforderungen an die Kühlmaterialien von morgen.

Dr. Tino Gottschall forscht am Hochfeld-Magnetlabor Dresden an magnetokalorischen Materialien.
Dr. Tino Gottschall forscht am Hochfeld-Magnetlabor Dresden an magnetokalorischen Materialien.
(Bild: Rainer Weisflog, HZDR)

Für einen Einsatz in zukünftigen Massenanwendungen dürfen die Substanzen außerdem keine schädlichen Eigenschaften für Umwelt und Gesundheit mitbringen. „Sie sollten zudem nicht aus Rohstoffen bestehen, die aufgrund ihrer begrenzten Vorkommen und schweren Ersetzbarkeit in Anwendungen als kritisch eingestuft werden“, ergänzt Gutfleisch. „Dieser Gesichtspunkt kommt bei der Gesamtbewertung technologischer Prozesse oftmals noch zu kurz. Eine Fokussierung auf physikalische Parameter reicht heute nicht mehr aus. Insofern ist die magnetische Kühlung auch ein Paradebeispiel für die grundlegende Herausforderung der Energiewende, die ohne einen nachhaltigen Zugriff auf geeignete Materialien nicht umsetzbar sein wird.“

Bei Raumtemperatur heißt der magnetokalorische Maßstab noch Gadolinium. Wird das Seltenerd-Element in ein Magnetfeld von einem Tesla gebracht, lässt sich eine Temperaturänderung von fast drei Grad Celsius messen. Die Stärke des für diesen Effekt anzulegenden Magnetfelds entspricht der von leistungsfähigen kommerziellen Dauermagneten, wie sie aus wirtschaftlichen Gründen auch in den neuen magnetokalorischen Kühlschränken zum Einsatz kommen sollen.

Die Suche nach dem Kühlmaterial geht weiter

Trotz der herausragenden Eigenschaften gelten die Aussichten auf eine Verwendung von Gadolinium zu Kühlzwecken im Haushalt als nicht realistisch. Denn das Element zählt zu jenen Seltenerdmetallen, die langfristig als zu unsicher in der Beschaffung eingestuft werden. Bei gleicher Bauweise könnten Wärmeüberträger aus Eisen-Rhodium-Legierungen die größten Wärmemengen je Kühlzyklus abführen. Doch das Platingruppenmetall Rhodium gehört hinsichtlich der Versorgungssicherheit ebenfalls zu den von der Europäischen Kommission als kritisch eingestuften Rohstoffen.

Die Forscher fanden aber auch Kandidaten, deren Komponenten auf absehbare Zeit problemlos verfügbar und die gleichzeitig vielversprechend leistungsfähig sind: Intermetallische Verbindungen aus den Elementen Lanthan, Eisen, Mangan und Silizium etwa, bei denen Wasserstoff im Kristallgitter eingelagert wurde, könnten Gadolinium hinsichtlich der dem Kühlraum entziehbaren Wärme sogar übertreffen.

Weitere Materialien könnten schon bald folgen: Die Forscher vom HZDR und der TU Darmstadt arbeiten am Ausbau der Materialpalette für die magnetische Kühlung. In enger Zusammenarbeit bereiten Wissenschaftler beider Einrichtungen neue Versuchsreihen zu den Eigenschaften magnetokalorischer Substanzen vor. Am Hochfeld-Magnetlabor Dresden wollen sie beispielsweise untersuchen, wie sich diese Substanzen in gepulsten Magnetfeldern verhalten. Der breitere Fokus der zukünftigen Forschung liegt auf dem Verhalten der Materialien, wenn sie gleichzeitig verschiedenen Einflüssen wie Magnetfeldern, mechanischem Stress sowie Temperaturänderungen ausgesetzt sind. Parallel dazu arbeiten die Forscher an Demonstratoren, die die Effizienz der Magnetkühlung unter Beweis stellen sollen.

Originalpublikation: T. Gottschall, K.P. Skokov, M. Fries, A. Taubel, I. Radulov, F. Scheibel, D. Benke, S. Riegg, O. Gutfleisch: Making a cool choice: the materials library of magnetic refrigeration, Advanced Energy Materials, 2019; DOI: 10.1002/aenm.201970130

* Dr. C. Bohnet, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf, 01328 Dresden

* *J. Feuck, Technische Universität Darmstadt, 64287 Darmstadt

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