Pfiffig auf Eis gelegt Forscher steigern Effekt von magnetischen Kühlmaterialien

Die TU Darmstadt hat mit dem NIMS aus Japan und weiteren Partnern eine neue Art der nachhaltigen Kühlung entwickelt. Sie gilt als bedeutender Fortschritt ...

Die heute bekannten Klimaanlagen und Kühlschränke erreichen ihren Kühleffekt durch einen Dampfkompressionszyklus. Dafür nutzen sie Kältemittel, die aber klimatechnisch heute nicht mehr ideal sind. Die magnetische Kühlung aber bietet eine umweltfreundliche Alternative, weil sie den magnetokalorischen Effekt (MCE) ausnutzt, wie Forscher der TU Darmstadt erklären. Das ist ein Phänomen, bei dem bestimmte Materialien ihre Temperatur ändern, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt werden. Doch bisher stand man vor einem grundlegenden Dilemma. Gemeint ist, dass Materialien mit hoher Kühlleistung häufig unter irreversiblen Energieverlusten leiden, was als Hysterese bezeichnet wird und auch bei anderen physikalischen Effekten beobachtet wird. Dieser Verlust führt unter Betriebsbedingungen zu einer schnellen Abnahme der Kühlleistung, heißt das in diesem Fall. Umgekehrt erreichten die herkömmlichen, langlebigeren Materialien nicht die für praktische Anwendungen erforderliche hohe Kühlleistung. Der entscheidende Durchbruch gelang dem Forschungsteam durch einen neuartigen Ansatz im Materialdesign, wie es jetzt heißt.

Hysterese? Kein Grund, gleich hysterisch zu werden!

Den haben sie durch die gezielte Feinabstimmung der (kovalenten) Atombindungen mithilfe einer präzisen Kontrolle der chemischen Zusammensetzung erreicht. So konnten die Experten die irreversiblen Energieverluste minimieren. Die durchgeführte Studie konzentrierte sich dabei auf eine Verbindung aus Gadolinium (Gd) und Germanium (Ge) = Gd₅Ge₄. Dieses magnetische Kühlmaterial erwärmt sich nämlich, wenn ein äußeres Magnetfeld die winzigen magnetischen „Spins“ der Atome nach seinen Feldlinien ausrichtet. Die Forscher stellten dabei fest, dass die Leistungsminderung dieses Materials auf strukturelle Übergänge während der magnetischen Übergänge zurückzuführen ist. In Gd₅Ge₄ tragen sich ändernde Bindungslängen zwischen Germaniumatomen, welche atomare Schichten in der Kristallstruktur miteinander verbinden, eben zur Hysterese und zur Leistungsabnahme bei wiederholten Zyklen bei. Und das zu verringern hat man einen Teil des Germaniums durch Zinnatome (Sn) ersetzt, wie man erfährt. So kann die kovalente Bindung des Materials gezielt eingestellt werden. Diese Modifikation stabilisiert nämlich den Abstand zwischen den Kristallstrukturschichten während der Zustandsänderungen, wodurch die atomaren Verschiebungen, die zuvor zur Hysterese führten, wirksam verringert werden.

Nachhaltige Gasverflüssigung klappt magnetokalorisch

Die Auswirkungen der gezielten Anpassung durch Zinnatome sind nach Aussage der Darmstädter tiefgreifend. Denn das Material behalte nun seine Kühlleistung über wiederholte Zyklen hinweg bei und erreiche gleichzeitig mehr als eine Verdopplung der reversiblen adiabatischen Temperaturänderung (adiabatisch heißt Temperaturänderung ohne externen Wärmeaustausch) von 3,8 Grad auf acht Grad. Dieser Durchbruch verbessert demnach sowohl den magnetokalorischen Effekt als auch die Gesamtbeständigkeit des Materials. Damit ebne man den Weg für nachhaltigere und dennoch leistungsstarke magnetische Kältemittel. Die effiziente Arbeitsweise dieser Materialien bei extrem tiefen Temperaturen im Bereich von etwa -233 bis -113 °C mache sie beispielsweise für die Verflüssigung von Gasen wie Wasserstoff, Stickstoff und Erdgas nutzbar. Die Materialien könnten somit als eine Schlüsselkomponente bei der Entwicklung umweltfreundlicher Gasverflüssigungsmethoden darstellen.

Neuartige Kühlmethode wird auf andere Beriche übertragen

In Zukunft plant das Konsortium, diese Methodik auf ein breiteres Spektrum von Verbindungen anzuwenden, um das Ganze auf verschiedene Bereiche der Kühlung und Gasverflüssigung auszuweiten. Die Ergebnisse sind übrigens das Produkt auch aus einer engen, internationalen wissenschaftlichen Kooperation der Darmstädter nicht nur zwischen dem National Institute for Materials Science (NIMS) sondern auch mit dem Kyoto Institute of Technology (KIT) in Japan, dem Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI), der Universität Hyogo und der Universität Tohoku.

Diese Arbeit wurde auch unterstützt! Und zwar von der Japanische Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften (JSPS), dem Internationalen Forschungsprogramm (JRP-LEAD mit DFG), der Japanischen Agentur für Wissenschaft und Technologie (JST) ERATO „Uchida Magnetische Materialien für das Wärmemanagement“ und von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) innerhalb des CRC/TRR 270 „HoMMage“.

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