Materialentwicklungen für die Kältetechnik
- Pressemitteilung der Firma BINE Informationsdienst, 27.06.2012
Pressemitteilung vom: 27.06.2012 von der Firma BINE Informationsdienst aus Bonn
Kurzfassung: Magnetische Kühlung mit Heuslerlegierungen Viele magnetisierbare Materialien reagieren mit einer Temperaturänderung, wenn sie in ein Magnetfeld gebracht oder daraus entfernt werden. Forscher des Leibniz-Instituts für Festkörper- und ...
[BINE Informationsdienst - 27.06.2012] Materialentwicklungen für die Kältetechnik
Magnetische Kühlung mit Heuslerlegierungen
Viele magnetisierbare Materialien reagieren mit einer Temperaturänderung, wenn sie in ein Magnetfeld gebracht oder daraus entfernt werden. Forscher des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden und der TU Darmstadt haben eine Heuslerlegierung aus Nickel, Mangan, Indium und Kobalt genauer untersucht, bei der dieser magnetokalorische Effekt besonders groß ist. Die Wissenschaftler schlagen vor, das Material für die Entwicklung besonders effizienter Kühlgeräte einzusetzen. Diese könnten einen höheren Wirkungsgrad erreichen, als die etablierten Kompressionskältemaschinen.
Das seit 1881 bekannte Phänomen hat bisher nur wenige technische Einsatzzwecke gefunden. Physiker setzen es beispielsweise ein, um extrem niedrige Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt zu erzeugen. Für eine breitere Anwendung fehlt es noch an geeigneten Werkstoffen. Das liegt vor allem daran, dass die Curie-Temperatur, oberhalb der der Effekt nicht mehr auftritt, bei vielen Stoffen sehr niedrig ist. Verschiedene Forschergruppen arbeiten an Materialien, die magnetokalorisches Verhalten auch bei höheren Temperaturen bis hin zur Raumtemperatur zeigen, nur geringe magnetische Feldstärken benötigen und dabei kostengünstig, ungiftig und gut verfügbar sind.
Physik des Kühlprozesses
Wird ein konventioneller magnetokalorischer Werkstoff in ein Magnetfeld gebracht, richten sich seine ungeordneten magnetischen Momente parallel zum Magnetfeld aus. Der höhere magnetische Ordnungszustand entspricht einer geringeren inneren Energie als vorher. Die freigewordene Energie wird unter adiabatischen Bedingungen als Wärme abgegeben. Kühlt man die erwärmte Substanz im Magnetfeld wieder auf die Ausgangstemperatur ab und schaltet dann das Magnetfeld aus, findet der umgekehrte Prozess statt und das Material kühlt sich weiter ab. Das Material erreicht eine nun einige Grad Celsius tiefere Temperatur als zu Beginn des Zyklus. In diesem Zustand kann es Wärme aufnehmen und somit als Kühlmittel dienen.
Größere Effekte durch strukturelle Entropiebeiträge
Auch bei der untersuchten Nickel-Mangan-Legierung tritt der beschriebene konventionelle magnetokalorische Effekt auf. Die magnetische Ausrichtung im Magnetfeld setzt also Energie in Form einer moderaten Temperaturerhöhung frei. Gleichzeitig erzwingt das Magnetfeld auch einen strukturellen Umbau des Kristallgitters. Dabei wird ein weit größeres Maß an Energie gespeichert. Dieser inverse kalorische Effekt führt damit zu einer starken Abkühlung des Materials. Die Höhe des Kühleffektes ergibt sich aus der Summe dieser entgegengesetzt wirkenden Effekte beim Anlegen des Magnetfeldes.
Materialoptimierungen
Durch die optimale Wahl der chemischen Zusammensetzung erreichen die Forscher eine Temperaturänderung von bis zu 6 Grad bei moderaten Magnetfeldern von 2 Tesla. Aus theoretischen und modellhaften Betrachtungen leiten sie ab, dass folgende Bedingungen für hohe Temperaturänderungen in magnetokalorischen Materialien günstig sind: eine vollständige Phasenumwandlung in einem engen Temperaturintervall und eine optimale Feldabhängigkeit der Übergangstemperatur.
Außerdem rückten die Wissenschaftler einem weiteren Problem der Nickel-Mangan-Legierungen auf den Leib: Die hohen Temperaturänderungen in diesen Legierungen werden bisher nur im ersten Zyklus erreicht und nehmen in den folgenden Zyklen drastisch ab. Sie fanden heraus, dass äußerer Druck das zyklische Verhalten deutlich verbessert. Die möglichen Temperaturbereiche lassen sich durch die genaue Einstellung der kristallografischen Gitterparameter und das Stapeln von Schichten bestimmter magnetokalorischer Legierungen beeinflussen.
Fachpublikation
Eine Publikation in der Fachzeitschrift "Nature Materials" stellt die Forschungsergebnisse im Detail vor.
"Giant magnetocaloric effect driven by structural transitions” Jian Liu, Tino Gottschall, Konstantin P. Skokov, James D. Moore, Oliver Gutfleisch Nature Materials, Advance Online Publication (AOP), 27.05.2012 DOI: 10.1038/NMAT3334
Bildunterschrift: Das Forscherteam mit dem Prüfstand für magnetokalorische Materialien (v.r.n.l.: Jian Liu, Tino Gottschall, James Moore und Konstantin Skokov; Projektleiter Prof. O. Gutfleisch ist nicht im Bild).
© IFW Dresden
Weitere Informationen:
Prof. Dr. Oliver Gutfleisch
Materialwissenschaft
Technische Universität Darmstadt
Petersenstraße 23
64287 Darmstadt
Tel. 06151 16-75559
gutfleisch@fm.tu-darmstadt.de
Magnetische Kühlung mit Heuslerlegierungen
Viele magnetisierbare Materialien reagieren mit einer Temperaturänderung, wenn sie in ein Magnetfeld gebracht oder daraus entfernt werden. Forscher des Leibniz-Instituts für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden und der TU Darmstadt haben eine Heuslerlegierung aus Nickel, Mangan, Indium und Kobalt genauer untersucht, bei der dieser magnetokalorische Effekt besonders groß ist. Die Wissenschaftler schlagen vor, das Material für die Entwicklung besonders effizienter Kühlgeräte einzusetzen. Diese könnten einen höheren Wirkungsgrad erreichen, als die etablierten Kompressionskältemaschinen.
Das seit 1881 bekannte Phänomen hat bisher nur wenige technische Einsatzzwecke gefunden. Physiker setzen es beispielsweise ein, um extrem niedrige Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt zu erzeugen. Für eine breitere Anwendung fehlt es noch an geeigneten Werkstoffen. Das liegt vor allem daran, dass die Curie-Temperatur, oberhalb der der Effekt nicht mehr auftritt, bei vielen Stoffen sehr niedrig ist. Verschiedene Forschergruppen arbeiten an Materialien, die magnetokalorisches Verhalten auch bei höheren Temperaturen bis hin zur Raumtemperatur zeigen, nur geringe magnetische Feldstärken benötigen und dabei kostengünstig, ungiftig und gut verfügbar sind.
Physik des Kühlprozesses
Wird ein konventioneller magnetokalorischer Werkstoff in ein Magnetfeld gebracht, richten sich seine ungeordneten magnetischen Momente parallel zum Magnetfeld aus. Der höhere magnetische Ordnungszustand entspricht einer geringeren inneren Energie als vorher. Die freigewordene Energie wird unter adiabatischen Bedingungen als Wärme abgegeben. Kühlt man die erwärmte Substanz im Magnetfeld wieder auf die Ausgangstemperatur ab und schaltet dann das Magnetfeld aus, findet der umgekehrte Prozess statt und das Material kühlt sich weiter ab. Das Material erreicht eine nun einige Grad Celsius tiefere Temperatur als zu Beginn des Zyklus. In diesem Zustand kann es Wärme aufnehmen und somit als Kühlmittel dienen.
Größere Effekte durch strukturelle Entropiebeiträge
Auch bei der untersuchten Nickel-Mangan-Legierung tritt der beschriebene konventionelle magnetokalorische Effekt auf. Die magnetische Ausrichtung im Magnetfeld setzt also Energie in Form einer moderaten Temperaturerhöhung frei. Gleichzeitig erzwingt das Magnetfeld auch einen strukturellen Umbau des Kristallgitters. Dabei wird ein weit größeres Maß an Energie gespeichert. Dieser inverse kalorische Effekt führt damit zu einer starken Abkühlung des Materials. Die Höhe des Kühleffektes ergibt sich aus der Summe dieser entgegengesetzt wirkenden Effekte beim Anlegen des Magnetfeldes.
Materialoptimierungen
Durch die optimale Wahl der chemischen Zusammensetzung erreichen die Forscher eine Temperaturänderung von bis zu 6 Grad bei moderaten Magnetfeldern von 2 Tesla. Aus theoretischen und modellhaften Betrachtungen leiten sie ab, dass folgende Bedingungen für hohe Temperaturänderungen in magnetokalorischen Materialien günstig sind: eine vollständige Phasenumwandlung in einem engen Temperaturintervall und eine optimale Feldabhängigkeit der Übergangstemperatur.
Außerdem rückten die Wissenschaftler einem weiteren Problem der Nickel-Mangan-Legierungen auf den Leib: Die hohen Temperaturänderungen in diesen Legierungen werden bisher nur im ersten Zyklus erreicht und nehmen in den folgenden Zyklen drastisch ab. Sie fanden heraus, dass äußerer Druck das zyklische Verhalten deutlich verbessert. Die möglichen Temperaturbereiche lassen sich durch die genaue Einstellung der kristallografischen Gitterparameter und das Stapeln von Schichten bestimmter magnetokalorischer Legierungen beeinflussen.
Fachpublikation
Eine Publikation in der Fachzeitschrift "Nature Materials" stellt die Forschungsergebnisse im Detail vor.
"Giant magnetocaloric effect driven by structural transitions” Jian Liu, Tino Gottschall, Konstantin P. Skokov, James D. Moore, Oliver Gutfleisch Nature Materials, Advance Online Publication (AOP), 27.05.2012 DOI: 10.1038/NMAT3334
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Über BINE Informationsdienst:
BINE Informationsdienst
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Der BINE Informationsdienst fördert den Informations- und Wissenstransfer aus der Energieforschung in die Anwendungspraxis und steht dabei in engem Austausch mit vielen Firmen und Institutionen, die in geförderten Projekten Effizienztechnologien und Erneuerbare Energien zur Anwendungsreife entwickeln. BINE ist ein Informationsdienst der Fachinformationszentrum (FIZ) Karlsruhe GmbH und kooperiert mit zahlreichen Einrichtungen und Organisationen aus Forschung, Ausbildung, Praxis, Fachmedien und Politik. BINE wird gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Arbeit (BMWA).
Aktuelle Informationen aus Forschung und Technik werden durch die BINE-Fachredaktion gründlich recherchiert, prägnant und zielgruppenorientiert aufbereitet und potentiellen Anwendern vermittelt. In drei Inforeihen (Projekt-Info, Themen-Info und basisEnergie) informiert BINE über Ergebnisse und Erfahrungen aus Forschung und Anwendungsprojekten. Die Infos können auch im kostenfreien Abonnement bezogen werden. Die BINE-Publikationen werden im Internet systematisch mit weiteren Informationen und Angeboten (u. a. InfoPlus) vernetzt und durch das BINE-Expertentelefon ergänzt. Hier bietet BINE projektbezogene und praxisrelevante Zusatzinformationen.
Ergänzt werden die BINE Broschüren durch die "BINE Informationspakete". Die Buchreihe bietet aktuelles, in der Praxis verwertbares Anwendungs-know-how und Forschungswissen. Die Buchreihe erscheint im Verlag Solarpraxis und ist im Buchhandel oder über die BINE Homepage bestellbar.
Die Planung und Realisierung eines energieeffizienten Gebäudes, die Wärmerückgewinnung in industriellen Prozesse oder die Integration erneuerbarer Energien in bestehende Energiesysteme sind komplexe und anspruchsvolle Aufgaben - sie erfordern aktuelle und erstklassige Informationen für richtige Entscheidungen. BINE wendet sich als kompetenter Partner an Planer, Berater und Architekten, an Entwickler, Hersteller und Handwerker, an Akteure der Aus- und Weiterbildung und an die Medien.
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