Ein internationales Forschungsteam unter Leitung des japanischen National Institute for Materials Science (NIMS), der Technischen Universität Darmstadt und weiterer Partner hat einen neuen Ansatz zur umweltfreundlichen Kühlung vorgestellt. Die in der Fachzeitschrift Advanced Materials veröffentlichte Studie gilt als bedeutender Fortschritt bei der Entwicklung nachhaltiger Kältesysteme.
Klassische Kühlsysteme wie Klimaanlagen und Kühlschränke arbeiten mit Kältemitteln, die auf Dampfkompression basieren und klimaschädliche Emissionen verursachen. Eine vielversprechende Alternative ist die magnetische Kühlung, die auf dem magnetokalorischen Effekt beruht. Dabei verändern bestimmte Materialien ihre Temperatur, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt werden. Der Effekt ist energieeffizient und potenziell emissionsfrei, scheiterte bisher jedoch an technischen Hürden: Leistungsstarke magnetokalorische Materialien zeigten häufig hohe Energieverluste infolge struktureller Spannungen, während stabilere Materialien keine ausreichende Kühlwirkung erzielten.
Dem Forschungsteam gelang es nun, dieses Problem durch gezielte Änderungen der chemischen Zusammensetzung eines bekannten magnetischen Werkstoffs zu lösen. Als Ausgangspunkt diente die Verbindung Gadolinium-Germanium (Gd?Ge?), die sich bei magnetischer Beeinflussung erwärmt und abkühlt. Bei dieser Substanz führten bislang strukturelle Übergänge innerhalb des Kristallgitters zu Hystereseeffekten und damit zu einem schrittweisen Leistungsverlust. Durch den teilweisen Ersatz von Germanium durch Zinn konnten die Forschenden die Bindungslängen zwischen den atomaren Schichten stabilisieren. Dies verringerte die strukturellen Verschiebungen während der magnetischen Zyklisierung und minimierte den Energieverlust erheblich.
Die modifizierte Verbindung zeigte eine mehr als doppelt so hohe reversible Temperaturänderung wie bislang bekannte Materialien – von 3,8 auf 8 Kelvin – und behielt ihre Kühlleistung auch nach zahlreichen Schaltzyklen. Damit ist es erstmals gelungen, hohe Kühlleistung und strukturelle Beständigkeit miteinander zu vereinen. Das neue Material eignet sich besonders für magnetische Kühlung im Bereich tiefer Temperaturen zwischen minus 233 und minus 113 Grad Celsius und kann bei der Verflüssigung von Gasen wie Wasserstoff, Stickstoff oder Erdgas eingesetzt werden.
Das Projekt vereint Expertise aus Materialwissenschaft und angewandter Physik. Beteiligt sind neben dem NIMS das Kyoto Institute of Technology, das Japan Synchrotron Radiation Research Institute, die Universität Hyogo, die Universität Tohoku sowie die Technische Universität Darmstadt. Ziel der Kooperation ist es, die entwickelte Methodik auf weitere Materialsysteme zu übertragen und so den Weg für eine neue Generation nachhaltiger Kühl- und Gasverflüssigungstechnologien zu ebnen.
Lesen Sie auch
