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Werkstoffe Große Differenzen im relevanten Temperaturbereich

| Autor / Redakteur: Thomas Isenburg / Helmut Klemm

Die Nutzung des magnetokalorischen Effekts zur Kühlung war bislang durch die Abhängigkeit von Seltenerdmetallen eingeschränkt. Der Nachweis des Effekts an sogenannten Übergangsmaterialien, die deutlich kostengünstiger sind, eröffnen nun Chancen für ein Kühlaggregat, das kurz vor der Markteinführung stehen soll.

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Magnetokalorischer Werkstoff in 2000-facher Vergrößerung – solche Werkstoffe verändern ihre Temperatur in Abhängigkeit von Magnetfeldern.
Magnetokalorischer Werkstoff in 2000-facher Vergrößerung – solche Werkstoffe verändern ihre Temperatur in Abhängigkeit von Magnetfeldern.
(Bild: BASF)

In der im östlichsten Zipfel Frankreichs gelegenen Gemeinde Holtzheim will man Kühltechnikgeschichte schreiben. Das dort ansässige Unternehmen Cooltech Applications plant die ersten Kleinserien mit einer revolutionären magnetischen Kühlung. Mit dem Projekt könnte das Unternehmen in einen gewaltigen Wachstumsmarkt eindringen, denn die Industrienationen verwenden allein 15 % des gesamten Energieverbrauchs zur Kühlung. Kühlprozesse gehören zu den Energiefressern der Industrienationen.

Noch im Laufe dieses Jahres sollen erste Kühlaggregate auf der Basis des magnetokalorischen Effekts auf den Markt kommen – zum Beispiel für Kühlschränke in Lebensmittelmärkten.
Noch im Laufe dieses Jahres sollen erste Kühlaggregate auf der Basis des magnetokalorischen Effekts auf den Markt kommen – zum Beispiel für Kühlschränke in Lebensmittelmärkten.
(Bild: Isenburg)

Die Welt benötigt jährlich etwa 180 Millionen Kühlschränke

Imposant ist auch das Marktvolumen: Pro Jahr werden etwa 180 Mio. Kühlschränke weltweit verkauft. Deren Wirkungsgrad beträgt bei der etablierten Kompressionskühltechnik bislang maximal 45 %. Mit dem Prinzip der magnetischen Kühlung beschäftigt sich die Physik seit der Entdeckung des magnetokalorischen Effekts vor 130 Jahren. Der deutsche Physiker Emil Gabriel Wartburg beobachtete damals das Phänomen als Erster. Er bemerkte, dass sich eine Probe aus Eisen minimal erwärmte, wenn ein Magnetfeld auf sie wirkte. Wurde das Magnetfeld entfernt, kühlte die Probe ab. Zunächst wurde die Technik in der Tieftemperaturphysik eingesetzt. Das änderte sich 1997, als eine neue Klasse magnetokalorischer Materialien auf der Basis des Seltenerdmetalls Gadolinium entwickelt wurde. Diese neuen Werkstoffe zeigen schon einen beachtlichen magnetokalorischen Effekt bei Raumtemperatur. Die charakterisierende Curie-Temperatur des Metalls liegt bei 17 °C. Für Kühlzwecke haben sich Magnetfelder zwischen 1 und 1,5 T bewährt.

Suche nach günstigeren Werkstoffen gestartet

Bislang konnte sich die Technik nicht in nennenswertem Umfang kommerziell durchsetzen, weil sie im Wesentlichen von dem Seltenerdmetall Gadolinium abhängt. Davon werden jährlich nur etwa 500 t gefördert. Bei einer stark zunehmenden Nachfrage würde der Preis erheblich steigen. Das wird sich nach Ansicht des weltweit größten Chemiekonzerns BASF in Ludwigshafen sowie des US-Spezialchemieunternehmens OM Group ändern, denn die beiden Unternehmen beschäftigen sich mit der Entwicklung von günstigeren Werkstoffen mit magnetokalorischem Verhalten. Auf diesem Gebiet liegen auch die Forschungen des deutschen Festkörperphysikers Prof. Ekkes Brück an der Technischen Universität Delft in den Niederlanden. Der Werkstoffforscher stellte signifikante magnetokalorische Effekte auch an Elementen des Periodensystems fest, die sich in den Nebengruppen befinden. Diese Elemente werden als Übergangsmetalle bezeichnet.

Magnetokalorische Materialien können auch als Platten in verschiedenen Formen und Größen hergestellt werden.
Magnetokalorische Materialien können auch als Platten in verschiedenen Formen und Größen hergestellt werden.
(Bild: Vakuumschmelze Hanau)

Neue Legierung zeigt hohe Temperaturunterschiede in dem relevanten Temperaturbereich

BASF kooperiert mit der TU Delft. Dr. Carla Seidel, Vice President E-Power-Management der BASF New Business GmbH, umreißt den derzeitigen Stand: „Unsere neueste Generation von Materialien basiert auf einer Legierung aus MnFePSi, die wir gemeinsam mit der TU Delft entwickelt haben. Dabei zeigen die Materialien einen vergleichsweise hohen Temperaturunterschied bei einem durch Permanentmagneten realisierten Magnetfeld und in dem für Kühlanwendungen relevanten Temperaturbereich.“ Zur weiteren Kommerzialisierung beschäftigte man sich 2013 in Ludwigshafen mit dem Hochskalieren des Herstellungsverfahrens, das nach Angaben der BASF-Managerin aussichtsreich verlief: „Der magnetische Kühlzyklus erzielt im Vergleich zu herkömmlichen Kompressoren deutlich geringere Energieverluste. Deshalb kann ein effizienteres Gerät gebaut werden, das mit weniger Energie kühlt. Theoretische Betrachtungen zeigen ein Einsparpotenzial bis 50 %.“

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