Umweltfreundlich kühlen Magnetokalorische Werkstoffe

Herkömmliche Kälte- und Klimatechnik verursacht hohe Energieverluste - vor allem in den Antrieben der Kompressoren. Hier könnten neue Materialien, die bei Raumtemperatur einen magnetokalorischen Effekt aufweisen, mit einer bis zu 50% besseren Energieeffizienz eine echte Alternative darstellen und die Umwelt erheblich entlasten.

Bereits im Jahr 1881 entdeckte der deutsche Physiker Emil G. Warburg den magnetokalorischen Effekt. Er fand heraus, dass sich Eisen, wenn man es in ein starkes Magnetfeld bringt, ein wenig erwärmt. 1949 erhielt William F. Giauque den Chemie-Nobelpreis für seine Entdeckung, dass sich mit Hilfe des magnetokalorischen Effekts
extrem tiefe Temperaturen unterhalb von -270 °C erzeugen lassen.

Wodurch ändert sich nun beim magnetokalorischen Effekt die Temperatur? Dazu muss man zunächst wissen, dass die Temperatur eines Körpers nichts anderes ist als ein Maß für die Bewegung und Unordnung seiner atomaren Bestandteile. Wird an einen magnetokalorisch aktiven Werkstoff nun ein Magnetfeld angelegt, so richten sich seine zunächst ungeordneten magnetischen Momente parallel zum angelegten Feld aus.

Nun besagt aber der zweite Hauptsatz der Thermodynamik, dass die Ordnung in einem geschlossenen System nie zunehmen kann. Wenn sich jetzt die magnetischen Momente durch Anlegen eines Magnetfeldes ordnen, so muss - quasi zum Ausgleich - etwas anderes in Unordnung geraten. Im Fall der magnetokalorischen Werkstoffe verstärkt sich die Bewegung der einzelnen Atome, es erhöht sich also die Temperatur.

Kühlt man das erwärmte Material im Magnetfeld wieder auf die Ausgangstemperatur ab und schaltet dann das Magnetfeld aus, so kühlt sich der Werkstoff weiter ab und erreicht eine tiefere Temperatur als zu Beginn des Zyklus‘. In diesem Zustand kann das Material Wärme, zum Beispiel von der Milch im Kühlschrank, aufnehmen, womit sich die Milch abkühlt und der Kreislauf schließt (Bild 1). Der magnetokalorische Effekt ist somit die Änderung der Temperatur eines Werkstoffs in Abhängigkeit vom angelegten Magnetfeld.

Werkstoffentwicklung

Im Jahr 1997 wurde in den USA eine Gd-Si-Ge-Legierung gefunden, die bereits bei Raumtemperatur einen großen magnetokalorischen Effekt zeigt. Angeregt durch diese Entdeckung wurde in den folgenden Jahren eine Reihe von weiteren Werkstoffen beschrieben, die eben-falls das Potenzial haben, für kommerzielle Anwendungen in der Kältetechnik eingesetzt zu werden. Die meisten enthalten jedoch entweder teure Rohstoffe wie Germanium und Gallium oder giftige Elemente wie Phosphor oder Arse.

Da niemand gerne Arsen in seinem Kühlschrank haben möchte, entschied man sich bei der Vacuumschmelze für eine Materialklasse auf Basis von Lanthan, Eisen und Silizium, alles ungiftige und kostengünstige Rohstoffe. Der Entwicklungsabteilung dort gelang es mittlerweile, auf pulvermetallurgischem Weg Formkörper mit optimierten magnetokalorischen Eigenschaften herzustellen.

Wichtig dabei ist, dass die Curie-Temperatur der Werkstoffe, die der Anwendungstemperatur entspricht, genau auf die jeweilige Anwendung abgestimmt ist. Ähnlich wie bei der Herstellung von Magneten aus »Vacodym« und »Vacomax« müssen dazu geeignete Ausgangslegierungen zu einem feinen Pulver vermahlen, zu Grünlingen gepresst und anschließend auf volle Dichte gesintert werden. Um den Wärmeübergang zu beschleunigen, ist das Material in die Form von dünnen Blättchen zu bringen. Mittlerweile haben Entwicklungspartner weltweit Labormuster zur Erprobung erhalten. So wurden zum Beispiel mit dem Material im Rahmen eines von der EU geförderten Projektes mehrere Prototypen für Klimageräte aufgebaut [1].

Anwendungen

Aufgrund der Umkehrbarkeit des magnetokalorischen Effektes wird für die magnetische Kühlung im Vergleich zur bestehenden Kompressortechnik eine um bis zu 50 Prozent bessere Energieeffizienz erwartet. Im Gegensatz zu den zurzeit üblichen Kältemitteln tragen die magnetoka-lorischen Werkstoffe nicht zum Treibhauseffekt bei. Außerdem laufen magnetische Kältegeräte im Gegensatz zu herkömmlichen Kompressorgeräten praktisch geräuschfrei. Diese technischen und auch umweltpolitischen Vorteile machen die magnetische Kühlung für praktisch alle kommerziellen Anwendungen in der Kältetechnik interessant, beispielsweise für Kühlschränke und
Klimaanlagen, aber auch für Wärmepumpen.

Im September 2012 teilte das französische Startup-Unternehmen Cooltech mit, dass es ein Industria-lisierungsprojekt auf den Weg gebracht hat, in dessen Rahmen mehr als tausend Kühleinheiten binnen der nächsten ein oder zwei Jahre gebaut werden sollen. Neben den technischen Vorteilen spielen vor allem die Kosten für die magnetokalorischen Materialien, insbesondere aber auch für die in erheblicher Menge benötigten Nd-Fe-B-Dauermagnete, eine entscheidende Rolle. In wenigen Jahren kann die magnetische Kühlung also eine wirtschaftliche Bedeutung erlangen.

Über den Autor:

Dr. Matthias Katter leitet die Entwicklungsabteilung für Dauermagnete bei der Vacuumschmelze und initiierte 2006 die Entwicklungsarbeiten an magnetkalorischen Werkstoffen.