Kühlkreislauf mit Magnetfeldern

Der Kühlkreislauf einer Magnetkühlung basiert auf dem sogenannten magnetokalorischen Effekt von bestimmten Materialien. Durch diesen Effekt erwärmt sich ein Material, wenn ein Magnetfeld angelegt wird, und kühlt ab, wenn das Magnetfeld wieder entfernt wird. Dabei wird entweder das Material immer wieder in das Magnetfeld bewegt oder der Magnet rotiert über dem Material.

Der Zyklus läuft dabei wie folgt ab: Bei angelegtem Magnetfeld wird die Wärme des Materials abgeführt. Nimmt man jetzt das Magnetfeld wieder weg, kühlt das Material weiter runter und kann somit Wärme vom zu kühlenden Medium aufnehmen. Das Magnetfeld wird wieder angelegt, das Material erwärmt sich zusätzlich und diese Wärme kann dann wieder abgeführt werden.

An der TU Darmstadt forscht Dr. Benedikt Beckmann am Institut für Materialwissenschaften. Unter der Leitung von Prof. Dr. Oliver Gutfleisch arbeitet er in der Fachgruppe Funktionale Materialien daran, ein möglichst passendes Material zu finden, das sich für Magnetkühlung gut eignet.

»In der Zukunft wird nicht jeder von uns einen magnetokalorischen Kühlschrank in der Wohnung stehen haben, es geht in Richtung der Kühlung von Datencentern.«Dr. Benedikt Beckmann, Materialforscher an der TU Darmstadt

Bereits vielversprechende Materialien gefunden

Eingesetzte magnetokalorische Materialien sollten eine möglichst hohe Magnetisierung aufweisen. Je nach Anwendung eignen sich zudem unterschiedliche Stoffe, da infrage kommende Materialien bei verschiedenen Temperaturen besonders effizient sind. Neben Gadolinium untersucht die Forschungsgruppe an der TU Darmstadt dabei verschiedene Eisenverbindungen.

»Wir haben schon mal die zwei vielversprechendsten Kandidaten identifiziert. Und momentan optimieren wir noch die Zusammensetzung, um den Effekt noch ein bisschen zu verstärken.«Dr. Benedikt Beckmann

Das aus der TU Darmstadt heraus gegründete Start-up Magnotherm betreibt bereits erste Prototypen mit Magnetkühlung in Supermärkten.

Leistungsstark und nachhaltiger

Der große Vorteil der Magnetkühlung im Vergleich zu herkömmlichen Kühltechniken: Es wird kein Kältemittel benötigt. Dieses wird in der Regel komprimiert und wieder expandiert, um die Wärme an die Umgebung abzugeben. Viele Kältemittel sind klimaschädlich. Magnetokalorische Materialien wie Gadolinium sind im Gegensatz dazu keine starken Treibhausgase und somit bei ungewollter Freisetzung umweltfreundlicher.

Zudem kann eine Magnetkühlung auch effizienter arbeiten als eine herkömmliche Dampfkompressionskühlung. Man braucht also weniger Energie für die gleiche Kühlleistung. Bei sehr tiefen Temperaturen funktionieren bestimmte magnetokalorische Materialien besonders gut, weshalb sich die Technik auch für Gasverflüssigung wie etwa bei Wasserstoff eignet.

Die Vorteile von magnetischer Kühlung und den aktuellen Stand der Forschung – darum geht es in dieser Folge vom »Forschungsquartett«. Materialforscher Dr. Benedikt Beckmann von der TU Darmstadt hat sich darüber mit detektor.fm-Redakteur Eduard Bär unterhalten.