Vom Schwitzen, um den eigenen Körper herunterzukühlen, bis zum Kühlschrank für unsere Lebensmittel zu Hause: Kühlung ist in unserem Leben eine sehr wichtige Komponente. Medikamente müssen gekühlt werden, Technik und Motoren, und nicht zuletzt bei Datenzentren ist es ein großes Thema. Deshalb beschäftigt man sich in der Forschung schon lange damit, wie man möglichst effizient die Temperatur von Materialien senken kann.
Ein Ansatz funktioniert dabei ganz anders als ein klassischer Kühlschrank oder eine Wärmepumpe, nämlich mit Magneten. Wie das schon jetzt in Prototypen erfolgreich funktioniert und was für Vorteile so ein System mit sich bringt, darum geht’s in dieser Folge. Mein Name ist Wieland Mikulajczyk. Wie gut, dass ihr zuhört. Detektor FM.
Kühlung in der Gesellschaft
In der Welt Kühlung ist ein Thema, das unsere Gesellschaft in vielen Bereichen betrifft und immer relevanter wird. Umso wichtiger ist es, Systeme zu entwickeln, die möglichst wenig Energie verbrauchen und gleichzeitig eine starke Kühlleistung erbringen. Mein Kollege Eduard Bär hat sich mit Dr. Benedikt Beckmann von der Technischen Universität Darmstadt darüber unterhalten. Er arbeitet dort im Bereich Material- und Geowissenschaften im Fachgebiet Funktionale Materialien.
Er beschäftigt sich damit, ein möglichst passendes Material zu finden, das sich für das Prinzip der Magnetkühlung gut eignet. Aber zuerst einmal die Frage: Wie können Magneten überhaupt etwas kühlen? Die magnetische Kühlung basiert auf dem magnetokalorischen Effekt. Und das ist ein Effekt, bei dem ein Material, wenn man dem ein Magnetfeld anlegt, sich erwärmt oder, wenn man das Magnetfeld dann wieder wegnimmt, sich eben abkühlt.
Der Kühlkreislauf
Und dieser magnetokalorische Effekt, den nutzt man dann in einem sogenannten magnetokalorischen Kühlkreislauf. Dieser Kühlkreislauf basiert auf vier einzelnen Schritten. In dem ersten Schritt legt man das Magnetfeld an, und das Material, das sich in einem gewissen Ausgangszustand bei einer Ausgangstemperatur befindet, erwärmt sich eben aufgrund des magnetokalorischen Effektes.
In einem zweiten Schritt nimmt man jetzt die Wärme und gibt sie ab. Das kennt man vielleicht vom Kühlschrank: An der Rückseite des Kühlschranks ist es ja immer warm. Das ist dann die Wärme, die abgegeben wird. Hier halten wir sozusagen das Magnetfeld stabil. Das heißt, das Material nimmt dann wieder aufgrund der abgegebenen Wärme die Temperatur des Ausgangszustandes an.
Nun, in einem dritten Schritt, nimmt man das Magnetfeld weg, und wiederum aufgrund des magnetokalorischen Effektes kühlt sich nun das Material ab. Das heißt, die Temperatur des Materials ist dann unterhalb der Ausgangstemperatur. Und das können wir uns zunutze machen in dem vierten Schritt, indem wir dann die Wärme aus dem zu kühlenden Medium, zum Beispiel unsere Lebensmittel im Kühlschrank, entziehen.
Und damit bringen wir das Material dann wieder in den Ausgangszustand zurück und vervollständigen sozusagen den Kreislauf und haben dann Wärme aus dem Inneren unseres Kühlschrankes eben abgegeben. Das heißt, jetzt ganz grob gesagt: Es gibt Magneten, die immer wieder an- und ausgeschaltet werden.
Designmöglichkeiten und Herausforderungen
Es gibt verschiedene Designmöglichkeiten. In den gängigen Prototypen sind es häufig Dauermagnete, die zum Einsatz kommen. Es gibt dann entweder die Variante, dass der Dauermagnet stabil ist, sozusagen fixiert im Raum, und sich dann das magnetokalorische Material in das Feld rein oder raus bewegt. Oder die häufigere, etwas gängigere Methode ist, dass das magnetokalorische Material eben im Raum fixiert vorliegt in sozusagen solchen Regeneratoren-Modulen und der Magnet darüber rotiert und sozusagen damit das Magnetfeld an- und wieder abgenommen wird.
Was ist denn das Problem, sage ich mal, oder der Nachteil an so aktuellen Kühlschränken? Was wollen Sie mit dieser neuen Magnetechnik verbessern? Was ist da der Vorteil? Die Magnetokalorik hat den Vorteil, dass sie nicht auf Kältemitteln basiert. Denn in so einem konventionellen Kühlschrank, der ist, sage ich mal, sehr abhängig von dem Kältemittel, das dort auch verschiedene Zyklen durchläuft und damit dann eben Wärme aufnehmen und Wärme abgeben kann.
Kältemittel und Umweltaspekte
Und diese Kältemittel, die haben schon verschiedene Iterationen durchlaufen, unter anderem wegen internationalen Abkommen, die geschlossen wurden. Da gibt es momentan eben Mittel, die Fluorkohlenwasserstoffe heißen. Die sind sehr klimaschädlich. Die haben dann, wenn man das sozusagen auf CO2 bezieht, teilweise in mehreren Faktoren eines Tausendfaches sozusagen, sind die schlimmer als CO2 für das Klima.
Da gibt es dann andere Alternativen noch, Hydrofluorolefine. Und die sind leider zersetzbar. Und da kann es dann zu kommen, dass sie sich auch in PFAS zersetzen. Und PFAS, da hatten Sie ja schon mal einen Podcast drüber: die Forever Chemicals. Damit geht natürlich auch immer noch ein großer negativer Faktor einher.
Da gibt es natürlich noch Alternativen von natürlichen Kältemitteln. Eines wäre zum Beispiel Propan. Aber die haben eben auch Nachteile, weil die zum Beispiel leicht entflammbar sind. Und da setzt eben die Magnetokalorik an, dass man keines dieser Kältemittel benötigt, sondern was wir eben benötigen, ist ein Magnet, ein magnetokalorisches Material und dann noch Wasser als Wärmeaustauschmedium.
Und dem noch zusätzlich kann man noch erwähnen, dass auch eine modellierte Energieeffizienz gesteigert werden kann. Und so war es zumindest bis jetzt in der Literatur, dass das häufig immer nur modelliert werden musste. Inzwischen gibt es aber auch Start-up-Unternehmen, unter anderem Magnotherm, Ausgründungen aus der TU Darmstadt, die auch schon gezeigt haben, dass es in der Tat zu einer Energieeffizienzsteigerung kommen kann.
Materialsuche und Anforderungen
Jetzt beschäftigen Sie sich in Ihrer Arbeit mit der Suche nach möglichst geeigneten Materialien, die man da in dieser magnetischen Kühlung einsetzen kann. Was muss so ein Material denn überhaupt erfüllen? Das ideale Material sollte eine möglichst hohe Magnetisierung aufweisen. Das ist sozusagen eine primäre Eigenschaft des Materials.
Zusätzlich, je nachdem, wo man die Technologie anwenden möchte, beispielsweise bei Raumtemperaturen, muss es in dem Temperaturbereich einen Phasenübergang aufweisen. Das heißt, dort muss das Material idealerweise, wenn wir vom vereinfachten Fall eines Ferromagneten sprechen, eines klassischen Magneten, dort muss es einen Übergang zwischen einem magnetischen und nichtmagnetischen Zustand aufweisen. Denn da ist der magnetokalorische Effekt am höchsten.
Das heißt, eine hohe Magnetisierung für einen möglichst hohen Effekt und dann die Übergangstemperatur idealerweise bei der Temperatur, wo man den Effekt nutzen möchte. Da gibt es dann noch weitere sekundäre Eigenschaften, die jetzt ein bisschen mehr ins Detail gehen. Aber unter anderem kann man es runterbrechen auf zwei primäre Eigenschaften, die ganz wichtig sind für die Magnetokalorik.
Das ist die Temperaturänderung, die erzielt werden kann, wenn man so ein Magnetfeld anlegt. Und es ist die Wärme, letzten Endes, die per Zyklus gepumpt werden kann. Und damit gehen dann noch einher zusätzliche Eigenschaften. Ich hatte es ja kurz schon angerissen. Die sekundären Eigenschaften, das wären dann zum Beispiel eine gute mechanische Stabilität, gute chemische Stabilität.
Wenn man jetzt zum Beispiel daran denkt, dass wir wasserbasierte Wärmeaustauschmedien benutzen, dann sollten die möglichst korrosionsbeständig sein. Und das sind dann so die Kernthemen, mit denen wir uns beschäftigen.
Fortschritte in der Materialforschung
Haben Sie da auch schon möglichst passende Materialien gefunden? Was ist das in der Praxis zum Beispiel? Und sind das dann auch Stoffe, Sie haben es ja vorhin schon angesprochen, die dann möglicherweise eben auch nachhaltiger sind, besser zu besorgen als herkömmliche Kältemittel? Ja, die Stoffe, die momentan eingesetzt werden in den Prototypen oder auch den ersten kommerziellen Geräten, das ist Gadolinium. Und warum wird das jetzt eingesetzt?
Das wird eingesetzt, weil das relativ einfach ist, mit diesen Materialien zu arbeiten. Denn es ist ein Element, es ist eine seltene Erde. Die zeigt einen sehr hohen Effekt und zeigt diesen Effekt auch über eine große Temperaturspanne. Das heißt, es eignet sich besonders gut, um den ersten Schritt in den Markt mit der Technologie zu machen.
Aber natürlich in der Materialwissenschaft, in der Forschung an sich, aber dann auch in dem Start-up-Unternehmen arbeiten natürlich verschiedenste Gruppen daran, das auch noch zu ersetzen. Und auch teilweise nicht nur wegen der möglichen Ressourcen-Kritikalität, sondern auch, um sogar den Effekt noch möglicherweise zu verbessern.
Neue Materialien und Anwendungen
Und da gibt es zwei Familien von Materialien, die bei der Raumtemperatur ja stärker in den Fokus rücken. Die eine ist Lantan-Eisen-Silizium. Das ist letzten Endes eine eisenbasierte Legierung, die einen hohen magnetokalorischen Effekt zeigt mit reduzierter Kritikalität und reduzierten Kosten. Und die andere Verbindung, das wäre Eisen-2-Phosphor-basierte Verbindung, also eben auch eine eisenbasierte Verbindung.
Und das sind so die zwei starken Kandidaten für die Raumtemperaturanwendung, die momentan auch unter anderem von der Forschungsgruppe, in der ich tätig bin, analysiert werden. Sie haben ja vorhin schon genau erklärt, wie das Prinzip funktioniert, wie das System aufgebaut ist.
Praktische Umsetzung der Magnetkühlung
Wie sieht so eine Magnetkühlung denn ganz haptisch in der Praxis aus? Wie kann man sich das vorstellen? Da kann man sich das tatsächlich wie einen ganz normalen Kühlschrank vorstellen, in der Tat. Also die Prototypen, die natürlich, sagen wir mal, in den Forschungsgruppen gebaut werden, die haben natürlich noch einen sage ich mal, noch nicht für den Konsumenten optimierten Flair, sondern da wird natürlich noch aktiv dran geforscht.
Da muss man an die einzelnen Komponenten einfach herankommen. Aber ich referenziere noch mal das Start-up-Unternehmen aus der TU Darmstadt. Die sind natürlich an der kommerziellen Nutzung der Technologie interessiert. Und die haben tatsächlich auch schon solche Kühlschränke, Kühleinheiten in Supermärkten platziert.
Wir haben da verschiedene Modelle. Da konnte ich auch persönlich schon mal das in einem Edeka sehen, einen von diesen Kühleinheiten. Wir haben auch tatsächlich am Forschungsinstitut einen von diesen. Das sieht in der Tat aus wie ein ganz normaler Kühlschrank. Bei dieser speziellen Einheit, die heißt Polaris, da sieht man tatsächlich unten noch die einzelnen Komponenten, weil das eben für Demos designt ist.
Aber die entwickeln halt immer neue Modelle und ihr zweites Modell, das nennt sich Eclipse. Das ist sozusagen ein Toploader. Den findet man im Supermarkt zum Beispiel überall, wo man von oben in letzten Endes die Kühlschränke reingreifen kann. Das sind diese sogenannten Toploader. Das ist letzten Endes das Modell, was die entwickeln.
Und das was ich bisher gesehen habe, könnte ich das jetzt von außen nicht von anderen Einheiten hinter der Verkleidung her erkennen. Jetzt haben Sie ja gerade schon erwähnt, dass solche Prototypen von den Kühlgeräten in Supermärkten gerade getestet werden.
Perspektiven der Magnetkühlung
Könnte das denn grundsätzlich auch für Haushaltsgeräte funktionieren, wie eben so ein ganz normaler Kühlschrank? Oder wo wird diese Technik perspektivisch ihren Einsatz finden? Perspektivisch wird sich die Technik eher zu größeren Maßstäben hin entwickeln. Das heißt, in der Zukunft wird nicht jeder von uns einen magnetokalorischen Kühlschrank in der Wohnung stehen haben, sondern es wird eher deswegen entwickelt, sich Magnotherm auch in die Richtung von Supermärkten.
Und dann kann es darüber noch hinausgehen in Richtung von Kühlung von Datenzentren. Wenn wir daran mal denken, das ist ja nochmal ein ganz anderer Maßstab und andere Kühlleistungen, die dort notwendig sind. Das heißt, es wird nochmal weiter hochskaliert.
Momentan ist in der Forschung auch noch ein weiteres interessantes Thema, was auch angegangen wird, nicht nur von der Materialseite, sondern auch von dem Bau von Demonstratoren Anwendungen bei tiefen Temperaturen. Und mit tiefen Temperaturen meine ich tatsächlich so im Bereich um die 200, sagen wir mal minus 250 Grad Celsius, in dem Bereich grob.
Und da geht es dann um Wasserstoffverflüssigung und eine andere mehr Nischenanwendung, die man eventuell auch noch erwähnen kann. Das ist adiabatische Demagnetisierung. Aber das ist eher wirklich für Temperaturen unter einem Kelvin, also extremst nah an dem Nullpunkt. Das ist wirklich für tiefste Temperaturphysik.
Aber kommerziell einmal Raumtemperatur, das Scale Up Wasserstoffverflüssigung, wo momentan auch Demonstratoren gebaut werden, zum Beispiel in Deutschland am HZDR, dem Helmholtz Zentrum Dresden-Rossendorf. Das ist auch ein Kollaborationspartner von uns. Die bauen da den ersten Prototypen zur magnetokalorischen Wasserstoffverflüssigung.
Weiterentwicklung der Magnetkühlung
Auch wenn es jetzt schon erste Prototypen gibt, arbeiten Sie ja weiter an der Materialsuche, wie Sie schon meinten. Und das klang ja auch schon ziemlich konkret bei den Ideen von möglichen Kandidaten, die Sie da haben. Was muss denn noch passieren, bis Sie, ich sage mal, das perfekte Material für den jeweiligen Einsatzbereich gefunden haben?
Ja, bei Raumtemperaturanwendungen, da sind wir schon recht weit. Das heißt, wir haben schon mal die zwei vielversprechendsten Kandidaten identifiziert. Und momentan sind eher Optimierungsmaßnahmen letzten Endes dort noch hauptsächlich zugange. Das heißt, wir optimieren noch die Zusammensetzung, um den Effekt noch ein bisschen zu stärken.
Und das Material muss dann auch noch in eine gewisse Geometrie gegeben werden. Also eine Formgebung muss stattfinden. Denn Sie müssen sich das so vorstellen, dass dieser Wärmetauscher, den wir im Gerät benötigen, das kann nicht einfach ein großer unförmiger Klotz Metall sein, sondern der muss, wie man sich das vielleicht vorstellt, wenn man auf so eine Honigwabe draufschaut, so eine Honeycomb-Struktur haben, wo halt eben Wasser auch durchfließen kann letzten Endes.
Also Formgebung ist da auch noch ganz wichtig. Und bei Materialien für die Wasserstoffverflüssigung, da ist immer noch ein bisschen mehr Bewegung letzten Endes drin, weil da hohes Forschungsinteresse ist, noch neue Materialien zu entdecken, die auch letzten Endes unterschiedliche Eigenschaften mit sich bringen, auch noch mal mit geringerer Kritikalität verglichen mit momentan vorliegenden Materialien für diese Wasserstoffverflüssigung-Anwendung.
Also da ist noch deutlich mehr Bewegung in der Literatur. Aber das heißt gleichzeitig auch nicht, dass man nicht bei Raumtemperatur immer noch nach potenziellen kompletten neuen Materialien sucht.
KI in der Materialwissenschaft
Momentan ist ja auch ein großes, letzten Endes ein großes Buzzword, und es nimmt viel Raum ein: KI. Und das ist auch in der Materialwissenschaft und Materialentwicklung momentan ein wichtiges Thema, ist auch Teil von vielen Projekten, die wir hier am Forschungsinstitut verfolgen. Und damit versucht man auch, mit den Modellen nicht nur Materialien zu optimieren, sondern auch tatsächlich komplett neue Materialien noch zu finden.
Magnetische Kühlung könnte also die Zukunft vor allem für industrielle Anwendungen sein, um möglichst effizient, teils auch sehr tiefe Temperaturen erreichen zu können. Schon jetzt werden verschiedene Prototypen getestet. Vielversprechende Materialien wurden bereits gefunden.
Vielen Dank an Dr. Benedikt Beckmann aus dem Fachgebiet Funktionale Materialien an der TU Darmstadt für das Gespräch und an meinen Kollegen Eduard Bär, der für diese Folge recherchiert und das Interview geführt hat. Ebenfalls vielen Dank für die Produktion dieser Folge. Die kam diese Woche von Paula Bültemann.
Das war es mit dem Forschungsquartett für diese Woche. Immer donnerstags erscheint eine neue Folge. Wir freuen uns sehr, wenn ihr einer anderen wissenschaftsbegeisterten Person vom Forschungsquartett erzählt und natürlich, wenn ihr nächste Woche wieder reinhört. Mein Name ist Wieland Mikulajczyk. Vielen Dank fürs Zuhören. Bleibt neugierig und bis zum nächsten Mal. Das Forschungsquartett: Wissenschaft bei detektor.fm.
Foto: privat