Magnetische Kühlung

Dr. Ramona Langner, Jürgen Kohlhoff, Stefan Reschke

Ein großer Teil der Energiekosten moderner Haushalte, aber auch industrieller Anwendungen, resultiert aus dem hohen Energieverbrauch konventioneller Kühlsysteme, die auf Basis der Kompression von Gasen arbeiten. Eine weitere Effizienzsteigerung ist in diesen Systemen nur noch schwierig zu bewerkstelligen, so dass alternative Kühlmöglichkeiten erforscht werden, die eine erhebliche Reduzierung der benötigten Energie erwarten lassen. Eine besonders vielversprechende Technologie in diesem Zusammenhang ist die der Magnetischen Kühlung, die bis heute vor allem für Forschungszwecke in der Tieftemperaturphysik eingesetzt wird.

Entscheidend für die weitere Entwicklung ist es hier, Werkstoffe mit einem auch bei Raumtemperatur möglichst großen magnetokalorischen Effekt zu entwickeln. Diese erwärmen sich stark, sobald sie in ein Magnetfeld eingebracht werden. Unter Einfluss des Magnetfeldes richten sich die einzelnen magnetischen Momente nach diesem äußeren Feld aus, und die magnetische Entropie sinkt. Da die Gesamtentropie des Systems aber nicht abnehmen darf, erhöht sich gleichzeitig dieungeordnete Bewegung der Atome und damit die thermische Entropie, der Werkstoff erwärmt sich. Der umgekehrte Prozess findet statt, wenn das Material das Magnetfeld verlässt. Dann resultiert eine Abkühlung.

Magnetkühlsysteme weisen entscheidende Vorteile gegenüber konventionellen Methoden auf . Letztere verwenden häufig Fluorkohlenwasserstoffe (FKW) als Kompressionsgase, die bei Freisetzung als Treibhausgase wirken können. In  Magnetkühlmaschinen wird dagegen nur eine Flüssigkeit wie Wasser benötigt, um Wärme abzutransportieren.

Durch den Wegfall der Kompressoren sind Magnetkühlsysteme zudem deutlich geräuschs- und vibrationsärmer, aber auch platzsparender. Der größte Vorteil wären jedoch deutlich geringere Energiekosten. Der bisher am meisten erprobte Aufbau einer solchen Magnetkühlmaschine besteht aus einem hohlen Zylinder aus magnetokalorischem Werkstoff, der zur Hälfte von einem Permanentmagneten umgeben ist. Der Zylinder rotiert um seine Längsachse, so dass sichstets eine Hälfte des Materials im Magnetfeld befindet, die andere Hälfte außerhalb.

Sobald der magnetokalorische Werkstoff in das Magnetfeld eintritt, erwärmt er sich. Die entstehende Wärme wird von einer Flüssigkeit, z.B. Wasser, abgeführt. Dadurch bleibt die Temperatur des Werkstoffs letztlich konstant. Verlässt das Material das Magnetfeld anschließend wieder, kühlt es sich deshalb unter die Ausgangstemperatur ab. Nun kann der Werkstoff Wärme aufnehmen und damit eine Kühlwirkung ausüben, ehe der Kreislauf erneut beginnt. Die Wärmeabfuhr gelingt besonders gut bei offenporigen Werkstoffen, in deren Poren das Wasser direkt eindringen kann. Dies ermäglicht eine gr0ße Grenzfläche zwischen Werkstoff und Flüssigkeit und damit einen schnelleren Wärmeaustausch.

Eine Anforderung an potenzielle Werkstoffe besteht in möglichst geringen magnetischen Hystereseverlusten. Geeignete Werkstoffe gibt es schon lange, doch waren die mit Hilfe der Magnetkühlung erzeugten Temperaturdifferenzen noch zu klein für Anwendungen außerhalb der Forschung. In konventionellen Kühlgeräten bewegen sich die darstellbaren Temperaturdifferenzen üblicherweise in einem Bereich von 40 K, während durch Magnetkühlung bisher nur maximale Temperaturunterschiede von rund 20 K realisiert werden konnten. Auch die Kühlleistung der Prototypen war zu gering. Zudem konnten größere Temperaturänderungen nur bei großen Magnetfeldstärken von 5 Tesla oder mehr erzielt werden, wofür Supraleitermagneten notwendig waren. Diese benötigen jedoch selbst eine Kühlung und verbrauchen sehr viel Platz, was den Einsatz der Magnetkühlung stark einschränkte.

Erst in den 1990er Jahren wurden magnetokalorische Werkstoffe entwickelt, die auch bei magnetischen Feldstärken von nur rund 2 Tesla größere Temperaturänderungen durchlaufen. Dies ermöglicht den Einsatz von deutlich günstigeren und platzsparenderen Permanentmagneten anstelle der Supraleitermagneten. Zunächst wurden hauptsächlich Gadoliniumlegierungen wie Gd5Ge2Si2 verwendet. Diese wiesen zwar anfänglich zu niedrige Betriebstemperaturen auf, doch wurden in den letzten Jahren auch vielsprechende Verbindungen entdeckt, die große Temperaturänderungen bei Raumtemperatur ermöglichen. Zudem konnten durch gezieltes Dotieren mit z.B. Eisen die Hystereseverluste weiter minimiert werden. Weitere mögliche metallische Werkstoffe sind Legierungen wie Mn1.1Fe0.9(P0.8Ge0.2).

Diese durchlaufen beim Eintreten in ein Magnetfeld bei Raumtemperatur zusätzlich zum Ordnungsprozess der magnetischen Momente auch einen Phasenübergang, wodurch der magnetokalorische Effekt mit rund 75 J/kg K (bei einer Änderung der Feldstärke von 0 zu 5 T) besonders groß ausfällt. Durch eine weitere Optimierung dieser Legierungen sollte sich dieser Wert noch auf über 100 J/ kg K erhöhen lassen. Der Vorteil gegenüber Gadoliniumverbindungen besteht hier in den deutlich geringeren Herstellungskosten. Zusätzlich können die magnetischen Eigenschaften von Legierungen auch über die Optimierung der Mikrostruktur verbessert werden. So wurde anhand von LaFe13-xSix- Legierungen gezeigt, dass die magnetische Hysterese mit sinkender Korngröße abnimmt. Gleichzeitig nimmt jedoch auch der magnetokalorische Effekt ab, so dass ein Ausgleich zwischen beiden Mechanismen gefunden werden muss. Bisher zeigte sich, dass  Mikrokristallite den optimalen Bereich für diese Legierungen darstellen. Parallel dazu wurden Keramiken entwickelt, die ebenfalls bei Raumtemperatur zum Einsatz kommen können. Ihr Nachteil war anfangs, dass sie das hochgiftige Element Arsen enthielten. In den letzten Jahren wurden jedoch vermehrt vielversprechende alternative Keramiken entwickelt, die ungiftig und günstiger in der Herstellung sind, aber mit etwa 40 J/kg K ebenfalls einen großen magnetokalorischen Effekt aufweisen. Als Material für die in Magnetkühlmaschinen eingesetzten Permanentmagneten kommen bisher hauptsächlich Neodym-Eisen-Bor- Legierungen zum Einsatz, die höhere Koerzitivfeldstärken aufweisen als z.B. Ferrite.

Ihr Nachteil ist die geringe Oxidations- und Korrosionsbeständigkeit, so dass solche Werkstoffe oft noch aufwändig beschichtet werden müssen. Auch hier besteht deshalb noch Forschungsbedarf.

Derzeit sind Kühlsysteme basierend auf dem magnetokalorischen Effekt für Alltagsanwendungen noch nicht konkurrenzfähig. Doch ist zu erwarten, dass durch Weiterentwicklung geeigneter Legierungen oder Keramiken noch größere Temperaturdifferenzen sowie deutliche Effizienzsteigerungen erreicht werden können. Gleichzeitig werden auch die Permanentmagneten ständig weiterentwickelt. So könnten bereits mittelfristig die ersten magnetbasierten Kühlschränke auf den Markt kommen, die bei einer Kühlleistung von einigen hundert Watt nur noch halb so viel Strom verbrauchen wie die besten bisher kaufbaren Geräte.

Fraunhofer Institut für
Naturwissenschaftlich-Technische
Trendanalysen
Appelsgarten 2, 53879 Euskirchen
berichtet in jeder Ausgabe exklusiv
über Werkstofftrends

Speichere in deinen Favoriten diesen permalink.