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30.01.2019 | Energienutzung | Im Fokus | Onlineartikel

Effiziente Kühlung mittels magnetokalorischem Effekt

Autor:
Frank Urbansky

Der weltweite Bedarf an Kühlung und Kälte wächst ständig – 2050 wird er den Bedarf an Wärme übertreffen. Gefragt sind daher effiziente Lösungen. Eine davon ist die Kühlung mittels magnetokalorischem Effekt.

Wenn ein Material einem starken Magnetfeld ausgesetzt wird, erhöht sich dessen Temperatur. Schwächt sich das Magnetfeld ab, sinkt die Temperatur. Dies wird als magnetokalorischer Effekt bezeichnet. Seine Entdeckung liegt schon knapp 140 Jahre zurück, seit 90 Jahren wird er in der Tieftemperaturphysik eingesetzt. Aktuell sorgen erste Alltagsanwendungen für Kühlung oder Wärme für Aufsehen, obwohl auch hier erste Patente schon über 40 Jahre alt sind. 

"Um tiefere Temperaturen zu erhalten, müssen paramagnetische Salze adiabat entmagnetisiert werden. Infolge der während der Entmagnetisierung zunehmenden Unordnung der magnetischen Struktur wird – analog zum Verdampfungsprozess – dem Stoff Wärme entzogen, so dass eine Abkühlung eintritt", beschreibt diese Anwendung ein Springer-Autorenkollektiv unter Leitung von Ekbert Hering in dem Buchkapitel "Thermodynamik" aus dem Standardwerk "Physik für Ingenieure" auf Seite 209.

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Forscher konzentrieren sind meist auf metallischen Legierungen aus Gadolinium, die für diese Anwendung besonders geeignet sind und etwa auch für Wärmepumpen genutzt werden könnten. Die dabei erreichte Effizienz ist höher als die herkömmlicher Wärmepumpen, so Wissenschaftler der Haute Ecole d’Ingénerie et de Gestion in der Schweiz und von der Universität Ljubljana.

Startup baut Kühlmöbel

Nachwuchs-Wissenschaftler der TU Darmstadt haben für die Nutzung des magnetokalorischen Effektes eine eigene Firma namens MagnoTherm Solutions gegründet. Ihr System ist zunächst für Kühlmöbel, etwa im Einzelhandel, gedacht und erzeugt mittels magnetischer Felder ebenfalls Kälte.

Im Ausgangszustand sind die magnetischen Momente dabei zufällig ausgerichtet. Nach adiabatischer Magnetisierung, die ohne Wärmeaustauch in der Umgebung von statten geht, richten sich die magnetischen Momente mit den äußeren Magnetfeldlinien aus. Dabei steigt die Temperatur im Material an. Gleichzeitigt senkt das angelegte Magnetfeld die Temperatur des Materials wieder auf das Ausgangsniveau ab. Wird dieser Vorgang zyklisch angewendet, kann ein Kühlprozess ähnlich dem einer Kompressionsanlage umgesetzt werden.

Aktuell hilft diese Technologie, die F-Gase-Verordnung der EU zu erfüllen. Denn Kühlmittel, die zu viel Treibhausgase emittieren und demzufolge verboten wurden, kommen in den Geräten, die in der Leistungsklasse von 0,5 bis 5 kW gebaut werden, mit magnetocalorischem Effekt nicht vor.

40 Prozent mehr Effizienz

Zudem haben solche Geräte nicht nur durch die kompressionsfreie Technik einen Effizienzvorteil von etwa 40 Prozent, sondern sind auch aufgrund der fehlenden Kühlmittel wartungsarm. Ziel der Jungunternehmer von MagnoTherm Solutions ist es, in zehn Jahren den magnetokalorischen Effekt bei Kühlmöbeln zum Stand der Technik gemacht zu haben und die weit verbreiteten Kompressionsanlagen abzulösen.

Grundlage für die Nutzung solcher Effekte ist die Gesamtentropie aus der thermischen und der magnetischen Entropie. „Aufgrund der großen Entropieänderung sind diese magnetokalorischen Materialien auch für Anwendungen in der magnetischen Kühlung von Interesse“, beschreiben die Springer Vieweg-Autoren Erhard Hornbogen und Hans Warlimont in ihrem Buchkapitel Werkstoffe im Vergleich und Verbund auf Seite 387 die praktische Relevanz. 

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