Magnete statt Kohlenwasserstoffe: Eine Magnettechnik könnte bald die chemischen Kältemittel in Kühlräumen und Gefrieranlagen ablösen. Bei dieser magnetokalorischen Kühlung sorgen rotierende Magnete für den Kühleffekt. Forscher haben jetzt eine Methode entwickelt, mit der diese Kälteproduktion effektiver als bisher ablaufen kann. Sie wollen damit schon bald 50 Prozent des theoretisch erreichbaren Wirkungsgrads erreichen – das wäre Weltrekord.

Der Bedarf an einer innovativen Kühltechnologie ist groß. Denn die heute üblichen fluorierten Kohlenwasserstoffe (FKW) haben ein hohes Treibhauspotenzial und dürfen daher nur begrenzt eingesetzt werden. Eine mögliche Alternative für Kältemittel sind Gase wie Propan oder Butan, die aber brennbar sind. Gerade für große Kühlanlagen wie zum Beispiel in Supermärkten sind sie daher keine Option. Deshalb suchen Forscher nach Kühltechniken, die ohne solche Mittel auskommen.

Eine vielversprechende Option ist ein physikalischer Effekt, der schon im Jahr 1917 entdeckt wurde: Bestimmte Materialien erwärmen sich, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt werden. In wechselnden Feldern entsteht dadurch ein Zyklus von Erwärmen und Abkühlen, der sich zur Kühlung nutzen lässt. Bei der magnetokalorischen Kühlung wird die entstehende Wärme abgeführt, so dass die zyklische Abkühlung das Material immer weiter herunterkühlt.

Allerdings: Lange Zeit mangelte es an Materialien, die bei Raumtemperatur magnetokalorisch sind. Eisen und Nickel zeigen zwar diesen Effekt, aber er tritt bei ihnen erst bei mehreren hundert Grad Hitze ein. Das Seltenerd-Metall Gadolinium reagiert schon bei Raumtemperatur, ist aber für eine großtechnische Anwendung viel zu selten und teuer. Erst Ende der 1990er Jahre wurden erste Legierungen entwickelt, die kostengünstig sind und bei geringen Temperaturen reagieren.

Mit einer dieser Legierungen haben nun Forscher vom Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM eine optimierte magnetokalorische Kühlung entwickelt. Sie nutzten dafür eine Lanthan-Eisen-Silizium-Legierung, die sich beim Anlegen eines Magnetfeldes erwärmt und beim Abschalten wieder abkühlt. Der Clou der Kältemaschine aber ist das Verfahren, über das die entstehende Wärme abgeführt wird.

Die Forscher nutzen dafür luftleere, gekammerte Röhren, in denen sich das magnetokalorische Material zusammen mit einer kleinen Menge Wasser befindet. „Da Wasser sehr viel Energie aufnimmt, wenn es vom flüssigen in den gasförmigen Zustand übergeht, nutzen wir den Verdampfungsprozess, um die Wärme zu übertragen“, erklärt Kilian Bartholomé vom IPM. „So kann die thermische Energie sehr effizient übertragen werden.“

Damit der Wasserdampf dabei die Legierung optimal durchdringen kann, haben die Forscher ihr eine feinporöse Struktur verliehen. Um die Effizienz der Wärmeabführung weiter zu steigern, sind die Segmente der Heatpipe kreisförmig angeordnet, der Magnet rotiert in ihrer Mitte. Schon jetzt kann das System mit einer sehr hohen Frequenz gefahren werden. Wenn der Demonstrator Ende des Jahres fertig ist, soll er eine Leistung von 300 Watt erreichen. Zum Vergleich: Der Kompressor eines Haushaltskühlschranks hat eine Leistung von 50 bis 100 Watt.

Doch die Freiburger Forscher wollen noch mehr: Sie haben sich vorgenommen, mit dem Demonstrator den Weltrekord für magnetokalorische Kühlsysteme zu brechen. Das langfristige Ziel ist, 50 Prozent des theoretisch maximalen Wirkungsgrades zu erreichen. Vergleichbare bisherige Systeme erzielen heute rund 30 Prozent.

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