Magneten kühlen und heizen in der Zukunft

Magnetokalorische Maschine: Diese ist sehr kompliziert aufgebaut (Bild: ameslab.gov)

Ames (pte017/19.12.2024/11:30) - Die Kraft, die Magnetschwebebahnen schweben und Elektromotoren laufen lässt, soll künftig auch fürs Heizen und zur Erzeugung von Klimakälte genutzt werden, und das mit deutlich geringerem Energieaufwand als bei heute gängigen Techniken. Das System, das auf dem sogenannten magnetokalorischen Prinzip beruht, haben Forscher des Ames National Laboratory ( https://www.ameslab.gov/ ) (AmesLab) entwickelt. Das Zentrum, das vom US-Energieministerium ( https://www.energy.gov/ ) finanziert wird, ist der University of Iowa ( https://www.iastate.edu/ ) angegliedert.

Risiko von Klimagasen

Die heute übliche Kompressionstechnologie, die seit über einem Jahrhundert die Grundlage für Heiz- und Kühlsysteme bildet, basiert auf Kältemitteln, die erhebliche Umweltrisiken bergen. Diese Kältemittel tragen zu den globalen Klimagasemissionen bei und setzen bei Leckagen Chemikalien frei, die sowohl für den Menschen als auch für Ökosysteme schädlich sind.

Magnetokalorische Wärmepumpen sind eine vielversprechende Alternative für Heiz- und Kühlanwendungen, da sie keine Kältemittelemissionen verursachen und mit höherer Energieeffizienz arbeiten, also weniger Strom verbrauchen. Bisher hatten magnetokalorische Geräte jedoch Schwierigkeiten in drei kritischen Bereichen (Gewicht, Kosten und Leistung) mit Kompressionssystemen mitzuhalten. Diese haben die Forscher in Ames überwunden.

Magnetokalorischer Effekt

Als magnetokalorischer Effekt wird das Phänomen einer Temperaturerhöhung in einem magnetisierbaren Material bezeichnet, wenn es einem stärkeren Magnetfeld ausgesetzt ist. Der Effekt ist umkehrbar, äußert sich dann als sinkende Temperatur als Folge eines abnehmenden Magnetfelds. Eine solche Maschine kann also heizen und kühlen. In ihrem Inneren rotieren Permanentmagnete, deren Felder das magnetokalorische Material dazu bringen, sich aufzuwärmen oder abzukühlen.

Stahl schirmt das elektromagnetische Feld teilweise ab, sodass das magnetokalorische Material abwechselnd dem Feld ausgesetzt ist und davor bewahrt wird. Dieses Wechselspiel sorgt für den erwünschten Heiz- beziehungsweise Kühleffekt. Wärme oder Kälte werden mithilfe einer harmlosen Flüssigkeit wie Wasser abtransportiert, sodass sie nutzbar werden.

Gadolinium eingesetzt

Die Verbindung Lanthan-Eisen-Silizium bringt laut den Forschern die beste magnetokalorische Leistung. Doch diese Legierung ist laut Forschungsleiterin Julie Slaughter nicht so leicht herstellbar. Sie setzt daher auf Gadolinium, das einfacher handhabbar sei, aber auf der Erde nur selten vorkommt, im Gegensatz zu anderen seltenen Erdmetallen wie Lanthan. Das könnte die Massenanwendung der Technik beeinträchtigen, es sei denn das reichliche Lanthan-Eisen-Silizium wird eingesetzt.

Die Forscher haben sich darauf konzentriert, das Volumen der Maschine zu reduzieren und die Materialien effektiver einzusetzen. Damit erreichen sie, dass die neue Technik in allen Belangen mit heute eingesetzten Geräten konkurrieren kann. Magnetokalorische Maschinen sind allerdings weitaus komplexer als heutige Heiz- und Kühlsysteme.

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