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Mikroskopische Aufnahme der Zwillingsstruktur in der Nickel-Mangan-Legierung mit Indium und Kobalt.
© IFW Dresden
Materialentwicklungen für die Kältetechnik
27.06.2012

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

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

Weitere Informationen:

Prof. Dr. Oliver Gutfleisch
Materialwissenschaft
Technische Universität Darmstadt
Petersenstraße 23
64287 Darmstadt
Tel. 06151 16-75559
gutfleisch(at)fm.tu-darmstadt.de

(me)

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