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 %.“

Magnetokalorische Werkstoffe auf der Basis von Übergangsmetallen

Über die kommerzielle Bedeutung seiner Entwicklung lässt Prof. Brück von der TU Delft keine Zweifel aufkommen: „Die magnetokalorischen Werkstoffe auf der Basis von Übergangsmetallen sind im Vergleich zu Gadolinium um den Faktor 100 preisgünstiger.“ Geplant sind Anwendungen in den Bereichen Kühl- und Klimatechnik. Die magnetische Kühltechnik arbeitet analog zur Gaskompressionstechnik bei Kühlschränken, wobei ein Kolben das Gas komprimiert und Erwärmung die Verdichtung des Gases begleitet. Bei der Expansion kühlt das System ab und kondensiert. Während der Phasenumkehr von flüssig nach gasförmig entzieht das System der Umgebung Energie in Form von Wärme. Dieses System zum Wärmetransport nutzen Kühlschränke und Klimaanlagen.

Materialien zur magnetischen Kühlung sind aus Lanthan, Eisen und Silizium

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)
Wird ein magnetokalorischer Körper einem Magnetfeld ausgesetzt, richten sich die zunächst ungeordneten magnetischen Momente der Atome parallel zum angelegten Feld aus. Die Zunahme der magnetischen Ordnung wird durch eine Verstärkung der Schwingungen der Atome auf ihren Gitterplätzen kompensiert. Dabei wird Wärmeenergie frei, die abtransportiert werden kann. Lässt die Wirkung des Magnetfelds wieder nach, kühlen sich Materialien mit magnetokalorischen Eigenschaften infolge des umgekehrten Effekts wieder ab. Die Vakuumschmelze in Hanau, die deutsche Tochter von OM Group, Cleveland/USA, ist auf magnetische Sonderwerkstoffe spezialisiert und beschäftigt sich seit dem Jahr 2007 mit Materialien zur magnetischen Kühlung, zum Beispiel mit magnetokalorischen Legierungen aus Lanthan, Silizium und Eisen.

Dr. Mathias Katter, Entwicklungsleiter des Unternehmens, nennt einen wichtigen Aspekt: „Die Lanthan-Silizium-Eisen-Legierungen haben eine günstige Rohstoffbasis und wir können die Eigenschaften exakt auf die Anwendung abstimmen.“ Zurzeit beschäftigen sich Werkstoffspezialisten des Unternehmens mit einem Scale-up der 100-kg-Chargen des Materials. Damit wollen auch die Magnetspezialisten die industrielle Produktion vorbereiten. In der Fachliteratur, wie beispielsweise dem International Journal of Refrigeration sowie dem Magazin der UK Magnetic Society, sind Prototypen publiziert. Bei einem weit verbreiteten Typ rotieren Permanentmagneten in einem Zylinder. In diesen Zylinder sind Röhren eingelassen, die gefüllt sind mit Granalien aus magnetokalorischem Material. Das magnetokalorische Material wird zum Wärmetransport von Wasser durchströmt.

360 Millionen verkaufte Kompressoren sollen ersetzt werden

Cooltech Applications aus Holtzheim arbeitet mit Vakuumschmelze Hanau zusammen. Das Start-up-Unternehmen begann 2003 mit Forschungstätigkeiten und beschäftigt inzwischen rund 30 Experten, hauptsächlich Produktmanager und Geschäftsentwickler, die für 240 Patente verantwortlich sind – eine Spitzenposition im internationalen Vergleich. Zu den Gesellschaftern gehören auch Risikokapitalgeber. Zurzeit stehen 20 Mio. Euro für die Industrialisierung und Kommerzialisierung zur Verfügung. Vor diesem Hintergrund wollen die Franzosen möglichst viele der jährlich 360 Mio. verkauften Kompressoren ersetzen. Dafür wurde ein 400-W-Aggregat entwickelt, das im Bereich von -2 bis 38 °C arbeiten kann. Es soll in Kühlgeräte und Klimaanlagen eingebaut werden .

Automobilhersteller suchen nach energiesparender Kühltechnik

Auch Automobilhersteller wie Fiat und Nissan beschäftigen sich mit einer neuen Klimatechnik. Sie braucht weniger Energie, was sich auf eine verringerte Antriebsenergie auswirkt, jedoch basieren die zwischen 1 und 2 starken Permanentmagneten der neuen Kühltechnik noch auf Neodym, einem Seltenerdelement, das in jüngster Vergangenheit erheblichen Preissteigerungen unterworfen war. Die Technik kommt auch ohne fluorierte Kohlenwasserstoffe aus, die bekanntlich die Ozonschicht angreifen und zur Erderwärmung beitragen, wenn sie in die Atmosphäre gelangen. Weil die Geräte aber keinen Kompressor brauchen, arbeiten sie absolut geräuschlos.

* Dr. Thomas Isenburg ist Wissenschaftsjournalist in 44892 Bochum. Weitere Informationen: Tel.: (00 33-3 88 10 47 90, c.muller@cooltech-applications.com

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