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Forschung: Durchbruch bei der magnetokalorischen Kühlung

Eine Entdeckung aus dem Jahr 1917 wird zukunftsfähig: Ein Forschungsteam am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM entwickelt effiziente magnetokalorische Kühlsysteme.

Fraunhofer IPM Bildquelle: © Fraunhofer IPM

Magnetokalorische Materialien lassen sich durch Magnetisierung erwärmen, allerdings nur in einem engen Temperaturbereich, der für jedes Material spezifisch ist. Legt man bei diesen Temperaturen ein Magnetfeld an, richten sich die magnetischen Momente in Richtung des Magnetfeldes aus. Dabei entsteht thermische Energie, das Material erwärmt sich.

Ein weiter Weg in die Anwendung

Die Nutzung des magnetokalorischen Effekts steht und fällt mit der Verfügbarkeit eines entsprechenden Materials. Eisen zeigt diesen Effekt bei rund 750 °C, Nickel bei etwa 360 °C. Laut dem Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM gibt es nur ein einziges Element, das sich auch bei Raumtemperatur magnetokalorisch erwärmen lässt: Gadolinium, ein sehr seltenes und daher auch extrem teures Metall.

Erst Ende der 1990er-Jahre sind Forscher dazu übergegangen, Legierungen zu entwickeln, die bei Raumtemperatur magnetokalorisch sind und sich kostengünstig industriell herstellen lassen. Eines von diesen vielversprechenden Materialien ist die umweltfreundliche Lanthan-Eisen-Silizium-Legierung, mit der auch Dr. Kilian Bartholomé und sein Team am Fraunhofer IPM in Freiburg arbeiten. Zum Abführen der entstandenen Wärme haben die Forscher dabei ein besonderes Verfahren entwickelt und bereits patentiert.

Heatpipes als Vorbild

Dr. Kilian Bartholomé setzt beim Bau seiner Kältemaschine auf die Nutzung latenter Wärme. Dies ist die Energie, die eine Flüssigkeit zum Verdampfen benötigt. »Weil Wasser sehr viel Energie aufnimmt, wenn es vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht, nutzen wir den Verdampfungsprozess, um die Wärme zu übertragen«, erklärt Dr. Bartholomé. Auf die Idee, den Verdampfungsprozess für den Wärmetransport zu nutzen, kamen der Physiker und sein Kollege Jan König durch Heatpipes, die als Röhrenkollektoren bei Solaranlagen oder zur Computerkühlung eingesetzt werden. Diese Heatpipes bestehen aus einem luftleeren Rohr, in das etwas Flüssigkeit eingeschlossen ist. Wird die eine Seite des Rohres erwärmt, verdampft das Fluid auf dieser Seite und kondensiert auf der kalten Seite. Dabei werden hohe Wärmeübertragungsraten erzielt.

Die magnetokalorische Heatpipe, die am Fraunhofer IPM entwickelt wird, ist allerdings wesentlich komplexer. Sie besteht aus vielen kleinen Kammern, in denen sich das magnetokalorische Material befindet. Damit die Legierung vom Wasserdampf optimal durchdrungen werden kann, hat es eine feinporöse Struktur. Die Zusammensetzung für die Herstellung der porösen Legierung stammt von Dr. Sandra Wieland und Dr. Martin Dressler vom Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und angewandte Materialforschung IFAM.

Um die Effizienz weiter zu steigern, ordnet Dr. Bartholomé die Segmente der Heatpipe kreisförmig an und lässt in der Mitte einen Magneten rotieren. »Wenn der Demonstrator Ende des Jahres fertig ist, soll er eine Leistung von 300 W haben«. Zum Vergleich: Der Kompressor eines Haushaltskühlschranks hat eine Leistung von 50 bis 100 W. Schon jetzt kann das System mit einer sehr hohen Frequenz gefahren werden. Daher hat sich die Freiburger Forschergruppe vorgenommen, mit dem Demonstrator einen Weltrekord für magnetokalorische Kühlsysteme zu brechen – und zwar bezüglich der Systemfrequenz. Das langfristige Ziel ist es, 50 Prozent des theoretisch maximalen Wirkungsgrades zu erreichen.

Erste industrielle Geräte

Die Industrie zeigt bereits großes Interesse, zum Beispiel die Philipp Kirsch GmbH, die unter anderem Spezialkühlschränke für medizinische Labore herstellt. Das deutsche Traditionsunternehmen arbeitet in einem vom Bundeswirtschaftsministerium geförderten Projekt mit dem Fraunhofer IPM zusammen. »Wir wollen auf Basis der Magnetokalorik ein Minus-86-Grad-Gerät auf den Markt bringen«, kündigt Geschäftsführer Jochen Kopitzke an. Er ist überzeugt: »Die Magnetokalorik hat ein sehr großes disruptives Potenzial und könnte die Kompressorkühlung mittelfristig ablösen.«


 

Fraunhofer IPM Bildquelle: © Fraunhofer IPM

Magnetokalorisches Kühlsystem

Der Aufbau eines magnetokalorischen Kühlsystems:

In den grau dargestellten Segmenten befindet sich das magnetokalorische Material. Dieses wird durch den rotierenden Magneten abwechselnd erwärmt und abgekühlt. Durch den internen Aufbau der Segmente wird auf der rechten Seite Wärme an die Umgebung abgegeben, während links Wärme aus dem zu kühlenden Bereich abgeführt wird.