Kühltechnik Magnetokalorische Kühlung für die Industrie

So genannte magnetokalorische Werkstoffe erwärmen sich beim Anlegen eines Magnetfeldes. Derartige Materialien könnten in Zukunft die Kälte- und Klimatechnik revolutionieren. Der Beitrag skizziert das Anwendungspotenzial neuer Werkstoffe für eine leistungsstarke, umweltfreundliche, leise und sichere Kühltechnik.

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Der magnetokalorische Effekt wurde bereits 1881 vom deutschen Physiker Emil G. Wartburg entdeckt. Er fand heraus, dass sich Eisen, bringt man es in ein starkes Magnetfeld, um einige tausendstel Grad Celsius erwärmt. 1949 wurde William F. Giauque für seine Entdeckung, dass sich mit Hilfe des magnetokalorischen Effekts extrem tiefe Temperaturen unterhalb von –270°C erzeugen lassen, mit dem Nobelpreis ausgezeichnet.

Wodurch ändert sich nun beim magnetokalorischen Effekt die Temperatur? Dazu muss man zunächst wissen, dass die Temperatur eines Körpers ein Maß für die Bewegung und Unordnung seiner atomaren Bestandteile ist. Wird an einen magnetokalorisch aktiven Werkstoff ein Magnetfeld angelegt, s richten sich seine zunächst ungeordneten magnetischen Momente parallel zum angelegten Feld aus (Bild 1, oben).

Der zweite Hauptsatz der Wärmelehre besagt, dass die Ordnung in einem geschlossenen System nie zunehmen kann. Wenn sich die magnetischen Momente durch Anlegen eines Magnetfeldes ordnen, muss – quasi zum Ausgleich – etwas anderes in Unordnung geraten. Im Fall der magnetokalorischen Werkstoffe verstärkt sich die Bewegung der einzelnen Atome, es erhöht sich also die Temperatur.

Kühlt man das erwärmte Material im Magnetfeld wieder auf die Ausgangstemperatur ab und schaltet dann das Magnetfeld aus, kühlt sich der Werkstoff weiter ab und erreicht eine tiefere Temperatur als zu Beginn des Zyklusses (Bild 1, unten). In diesem Zustand kann das Material Wärme, zum Beispiel von der Milch im Kühlschrank, aufnehmen, womit sich die Milch abkühlt und der Kreislauf schließt. Der magnetokalorische Effekt beschreibt somit die Änderung der Temperatur eines Werkstoffs in Abhängigkeit vom angelegten Magnetfeld.

Werkstoffe mit magnetokalorischem Effekt

Im Jahr 1997 wurde in Amerika eine Gd-Si-Ge-Legierung gefunden, die bereits bei Raumtemperatur einen großen magnetokalorischen Effekt zeigt. Angeregt durch diese Entdeckung wurden in den folgenden Jahren weitere Werkstoffe entwickelt, die ebenfalls das Potenzial haben, für kommerzielle Anwendungen in der Kältetechnik eingesetzt zu werden. Die meisten enthalten jedoch entweder teure Rohstoffe wie Germanium und Gallium oder giftige Elemente wie Phosphor oder Arsen. Vielversprechend ist derzeit eine Mangan-Eisen-Legierung.

In Hanau entwickelte man eine magnetokalorische Legierung auf Basis von Lanthan, Eisen und Silizium – alles ungiftige und kostengünstige Rohstoffe. Formkörper der La-Fe-Si-Legierung mit optimierten magnetokalorischen Eigenschaften lassen sich auf pulvermetallurgischem Weg herstellen. Wichtig dabei ist, dass die Curietemperatur der Werkstoffe, die der Anwendungstemperatur entspricht, auf die jeweilige Anwendung abgestimmt werden muss.

Pulvermetallurgische Herstellung der Legierungen

In der Pulvermetallurgie werden geeignete Ausgangslegierungen zu einem feinen Pulver vermahlen, zu so genannten Grünlingen verpresst und anschließend durch Wärmebehandlung unterhalb der Schmelztemperatur verdichtet und ausgehärtet (gesintert).

Zur Beschleunigung des Wärmeübergangs wird die magnetokalorische Legierung in Form von dünnen Platten hergestellt (Bild 2, oben). Labormuster wurden weltweit an Entwicklungspartner zur Erprobung verschickt. So sollen zum Beispiel mit dem Werkstoff im Rahmen des von der EU geförderten Projektes SSEEC mehrere Prototypen für Klimageräte aufgebaut werden.

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