Robert Klatt
Magnetokalorische Kühlsysteme kommen vollständig ohne klimaschädliches FCKW aus. Stattdessen werden Magnete genutzt, um mithilfe von Metallen einen Kühleffekt zu erzeugen.
Freiburg (Deutschland). Kühlräume und industrielle Gefrieranlagen nutzen derzeit als Kühlmittel vor allem fluorierte Kohlenwasserstoffe (FCKW), die ein Treibhauspotenzial besitzen und klimaschädlich sind. Auch Alternativen wie Propan oder Butan lassen sich bei großen Kühlanlagen wie zum Beispiel in Supermärkten nicht einsetzen, da sie leicht brennbar sind. Eine Entwicklung des Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (PDF-Link) könnte chemische Kühlmittel schon bald überflüssig machen und durch eine Kühlung ersetzen, bei der rotierende Magneten den Kühleffekt erzeugen.
Die technischen Grundlagen dafür sind bereits seitdem Jahr 1917 bekannt. Eine Innovation der Wissenschaftler des Fraunhofer IPM konnte die Effektivität der Kälteproduktion aber deutlich steigern. Schon bald sollen 50 Prozent des theoretisch maximal möglichen Wirkungsgrads erreicht werden, was ein neuer Weltrekord für diese Art von Kühlsystem wäre.
Bei der magnetokalorischen Kühlung wird in bestimmten Materialen Wärme erzeugt, wenn diese einem Magnetfeld ausgesetzt werden. Durch den stetigen Wechsel der Polarität des Magneten kann ein Zyklus von Erwärmen und Abkühlen ausgelöst werden, der zur Kühlung genutzt werden kann. Die Abwärme wird dabei abgeführt, um so durch die zyklische Kühlung eine immer geringere Temperatur des Materials zu erzeugen.
Problematisch an diesem Ansatz war lange vor allem, dass es kaum Materialen gibt, die bei Raumtemperatur magnetokalorisch sind. Häufig vorkommende Materialien wie Nickel und Eisen sind prinzipiell zwar auch magnetokalorisch, der Effekt tritt bei diesen Metallen aber erst bei mehreren hundert Grad Celsius auf. Gadolinium, ein Metall, das in seltenen Erden auftritt, ist bereits bei Raumtemperatur magnetokalorisch, eignet sich aber nicht für den industriellen Einsatz, da es zu selten ist und eine Anwendung deshalb unwirtschaftlich wäre. Legierungen, die bereits bei Raumtemperatur magnetokalorisch sind, wurden Ende der 1990er Jahre entwickelt.
Auch die Wissenschaftler des Fraunhofer IPM haben für die nun vorgestellte magnetokalorische Kühlung eine Legierung genutzt, die aus Lanthan-Eisen-Silizium besteht. Die Innovation liegt in diesem Fall also nicht im genutzten Material, sondern in dem Verfahren, dass die entstehende Wärme der Kühlung abführt. Genutzt werden von den Physikern dafür Röhren, in denen ein Vakuum vorhanden ist und in denen sich das magnetokalorische Material zusammen mit geringen Mengen Wasser befindet.
Kilian Bartholomé erklärt, dass „das Wasser sehr viel Energie aufnimmt, wenn es vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht“. Der Verdampfungsprozess kann so genutzt werden, um die Wärme zu übertragen, was eine sehr effiziente Möglichkeit bietet, die thermische Energie abzuführen.
Um ein möglichst gutes Zusammenspiel zwischen dem Wasserdampf und der Lanthan-Eisen-Silizium-Legierung zu erreichen, haben die Wissenschaftler diese in eine Struktur mit feinen Poren gebracht. Die Heatpipe, also die wärmeabführenden Röhren, wurden außerdem kreisförmig installiert, um die Effizienz der Wärmeabführung nochmals zu erhöhen.
Ein Demonstrationssystem mit einer Leistung von 300 Watt soll schon bald gezeigt werden. Normale Kühlschränke haben eine Leistung von 50 bis 100 Watt. Im Anschluss soll nach einer Ankündigung der Wissenschaftler auch der bisherige Weltrekord eines magnetokalorischen Kühlsystems gebrochen werden, der aktuell bei einem Wirkungsgrad von 30 Prozent liegt. Möglich halten die Freiburger Wissenschaftler mit ihrer Technologie einen Wirkungsgrad von bis zu 50 Prozent.
