Forscher haben eine neue Generation umweltfreundlicher Kühltechnologien entwickelt. Durch die gezielte Optimierung magnetischer Kühlmaterialien können sie Effizienz und Nachhaltigkeit deutlich steigern. So könnte die klimafreundliche Kühlung ohne schädliche Kältemittel Wirklichkeit werden.
Der Klimawandel verstärkt extreme Wetterlagen weltweit und dazu zählen immer häufiger auch lange und intensive Hitze- und Trockenwellen. Dadurch wächst auch der Bedarf an Kühlsystemen rasant.
Allein in Deutschland soll das Marktvolumen für Klimaanlagen Prognosen zufolge einen Wert von rund 437 Millionen Euro erreichen. Damit würde sich bis dahin ein jährliches Umsatzwachstum von rund sieben Prozent ergeben.
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Doch der wachsende Einsatz herkömmlicher Klimageräte bringt neue Umweltprobleme mit sich. Denn viele Systeme verbrauchen große Mengen Energie und nutzen Kältemittel, die als starke Treibhausgase wirken oder bei unsachgemäßer Entsorgung die Umwelt belasten.
Da die verstärkte Kühlung so genau jene Klimaerwärmung, die sie abmildern soll, noch weiter verstärkt, arbeiten Wissenschaftler weltweit an umweltfreundlichen Alternativen zu konventionellen Kühlmitteln. Forschern der TU Darmstadt ist dabei nun gelungen, magnetische Kühlmaterialien nachhaltiger und effizienter zu machen.
Magnetische Kühlmaterialien für die klimafreundliche Kühlung
In einem internationalen Konsortium haben die Forscher der TU Darmstadt, unter anderem zusammen mit Wissenschaftlern des National Institute for Materials Science und des Kyoto Institute of Technology aus Japan, den Einsatz von magnetischen Kühlmaterialien für eine umweltfreundlichere Kühlung erforscht. Die Ergebnisse ihrer Studie wurden nun in der Fachzeitschrift Advanced Materials veröffentlicht.
Für ihre Untersuchungen haben die Forscher den magnetokalorischen Effekt genutzt. Dabei kommt es zu Temperaturveränderungen bestimmter Materialien, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt werden.
Doch bisher konnte dieser Effekt noch nicht erfolgreich für die Kühlung eingesetzt werden. Denn bei Materialien mit hoher Kühlleistung kam es häufig zu schnellen Energieverlusten, die auch die Kühlleistung entscheidend. beeinträchtigt haben.
Den Forschern des internationalen Konsortiums ist es nun aber gelungen, genau diese irreversiblen Energieverluste zu minimieren. Zum Einsatz kam dabei eine Verbindung aus Gadolinium und Germanium.
Neues Materialdesign erhöht Kühlleistung
Das Forschungsteam hat in seiner Verbindung einen Teil des Germaniums durch Zinnatome ersetzt. Damit konnten die Wissenschaftler die innere atomare Struktur des Materials so verändern, dass Energieverluste deutlich eingeschränkt werden konnten.
Damit konnte das Material seine Kühlleistung über wiederholtes Erwärmen und Abkühlen hinweg beibehalten. Außerdem konnten die Forscher die Effizienz des Materials steigern.
So kann dies seine Temperatur nun um bis zu acht Grad Celsius verändern, ohne dabei Wärme von außen aufzunehmen oder abzugeben. Zuvor waren es nur 3,8 Grad Celsius, das veränderte Material kühlt also mehr als doppelt so stark und bleibt dabei stabil und zuverlässig.
Die Forscher sind überzeugt, dass dieser Durchbruch den Weg für nachhaltige und leistungsstarke magnetische Kältemittel ebnet. Da das Material vor allem bei extrem tiefen Temperaturen im Bereich von circa -233 Grad Celsius bis -113 Grad Celsius effizient arbeite, eigne es sich vor allem für die Verflüssigung von Gasen wie Wasserstoff, Stickstoff und Erdgas.
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