Womit wir morgen kühlen

Für das Jahr 2060 erwarten Zukunftsforscher einen Paradigmen­wechsel beim globalen Energie­konsum: Erstmals wird die Menschheit mehr Energie zum Kühlen aufwenden als für das Heizen. Die Durch­dringung unseres Alltags mit Kühl­anwendungen hat einen stetig wachsenden ökolo­gischen Fußabdruck zur Folge. Neue Verfahren wie die magnetische Kühlung könnten diese Belastung minimieren. Forscher des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf und der TU Darmstadt haben die dafür in Frage kommenden Materialien auf ihre Eignung untersucht. Ergebnis ist eine erste systematische Material­bibliothek mit allen wichtigen Kenngrößen.

Die Erzeugung künstlicher Kälte mittels konventioneller Gaskompression steht seit rund hundert Jahren für Haushalts­anwendungen zur Verfügung. Die Technologie hat sich in dieser Zeit jedoch kaum verändert. Nach Schätzungen von Experten sind heute etwa eine Milliarde darauf basierender Kühlschränke weltweit im Einsatz, Tendenz zunehmend. „Die Kühltechnik gilt mittlerweile als größter Strom­ver­braucher in den eigenen vier Wänden. Ebenso problematisch ist die Umwelt­belastung, die die eingesetzten Kühlmittel mit sich bringen“, beschreibt Tino Gottschall vom HZDR seine Motivation.

Zum Herzstück künftiger Kühltechnologien könnte der magneto­kalorische Effekt werden: Bestimmte Metalle und Legierungen ändern schlagartig ihre Temperatur, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt werden. Aus der Forschung ist bereits eine ganze Reihe solcher magneto­kalorischer Substanzen bekannt. „Ob sie sich auch für massenhaft verbreitete Haushalts­anwendungen empfehlen, ist jedoch eine andere Frage“, sagt Oliver Gutfleisch von der TU Darmstadt.

Zu ihrer Klärung 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“, berichtet 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 konnten die Wissenschaftler in sich konsistente Stoff­daten­sätze generieren. Sie präsentieren mit ihrer Arbeit nun einen soliden Grundstock an Daten, der die Auswahl zweckmäßiger Materialien für unter­schiedliche Anwendungen zur magnetischen Kühlung erleichtern kann.

Die Eignung eines Materials für die magnetische Kühlung wird letztendlich durch verschiedene Kenngrößen bestimmt. Nur bei einer passenden Kombination dieser Parameter kann das Material mit der bewährten Haushalts­kühl­technik konkurrieren. „Die erzielte Temperatur­änderung bei Raumtemperatur sollte groß sein und sich gleichzeitig möglichst viel Wärme abführen lassen“, benennt Gottschall die hervor­stechendsten Eigen­schaften der gesuchten Kühl­materialien von morgen. 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, können die Wissen­schaftler 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.

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 Seltenerd-Metallen, 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.

Doch die Forscher fanden 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, können Gadolinium hinsichtlich der dem Kühlraum entzieh­baren Wärme sogar über­treffen.

Weitere könnten schon bald folgen: Die Forscher vom HZDR und der TU Darmstadt arbeiten intensiv 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.

HZDR / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung:
  T. Gottschall et al.: Making a cool choice: the materials library of magnetic refrigeration, Adv. En. Mat. 9, 1901322 (2019); DOI: 10.1002/aenm.201901322
• Hochfeld-Magnetlabor Dresden, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
• FG Funktionale Materialien (O. Gutfleisch), Materialwissenschaft, Technische Universität Darmstadt