Ein internationales Forschungskonsortium hat magnetisches Kühlmaterial so weiterentwickelt, dass Effizienz und Beständigkeit deutlich verbessert werden. Durch gezielte chemische Modifikation lassen sich irreversible Energieverluste reduzieren und die reversible adiabatische Temperaturänderung signifikant steigern.
Die Ergebnisse adressieren ein zentrales Problem magnetischer Kühlmaterialien, bei denen hohe Kühlleistung bislang häufig mit Leistungsabnahme durch Hysterese einherging. Das optimierte Kühlmaterial erreicht eine mehr als verdoppelte reversible Temperaturänderung und arbeitet effizient bei extrem tiefen Temperaturen, was Perspektiven für nachhaltige Kühl- und Gasverflüssigungstechnologien eröffnet.
Magnetische Kühlung und bisherige Grenzen des Kühlmaterials
Konventionelle Klimaanlagen und Kühlschränke basieren auf dem Dampfkompressionszyklus und nutzen Kältemittel, die erheblich zur globalen Erwärmung beitragen. Die magnetische Kühlung stellt eine Alternative dar, da sie auf dem magnetokalorischen Effekt beruht, bei dem bestimmte Materialien ihre Temperatur verändern, sobald sie einem Magnetfeld ausgesetzt werden. Ein leistungsfähiges magnetisches Kühlmaterial kann diesen Effekt nutzen, ohne auf klimaschädliche Kältemittel angewiesen zu sein.
In der bisherigen Entwicklung zeigte sich jedoch ein grundlegendes Dilemma. Kühlmaterial mit hoher Kühlleistung war häufig mit irreversiblen Energieverlusten verbunden, die als Hysterese bezeichnet werden und unter Betriebsbedingungen zu einer raschen Leistungsabnahme führen. Demgegenüber erreichten langlebigere Materialien nicht die für praktische Anwendungen erforderliche hohe Kühlleistung. Dieses Spannungsfeld begrenzte die Einsatzmöglichkeiten magnetischer Kühlmaterialien erheblich und machte eine gezielte materialwissenschaftliche Lösung erforderlich.
Chemische Modifikation stabilisiert das Kühlmaterial strukturell
Der entscheidende Fortschritt gelang durch die präzise Kontrolle der chemischen Zusammensetzung und die gezielte Feinabstimmung kovalenter Atombindungen. Im Mittelpunkt stand eine Verbindung aus Gadolinium und Germanium mit der Zusammensetzung Gd₅Ge₄, die als magnetisches Kühlmaterial untersucht wurde. Dieses Material erwärmt sich, wenn ein äußeres Magnetfeld die magnetischen Spins der Atome ausrichtet, wodurch der magnetokalorische Effekt ausgelöst wird.
Analysen zeigten, dass die Leistungsabnahme dieses Kühlmaterials auf strukturelle Übergänge während magnetischer Phasenänderungen zurückzuführen ist. In Gd₅Ge₄ verändern sich Bindungslängen zwischen Germaniumatomen, die benachbarte Schichten der Kristallstruktur miteinander verbinden. Diese Veränderungen tragen zur Hysterese und zur Degradation bei wiederholten Zyklen bei. Um diese Mechanismen zu kontrollieren, ersetzte das Forschungsteam einen Teil der Germaniumatome durch Zinn. Die gezielte chemische Modifikation stabilisiert die Abstände zwischen den Kristallstrukturschichten während der Zustandsänderungen und dämpft atomare Verschiebungen, die zuvor zu Energieverlusten und Leistungsabnahme geführt hatten.
Verbesserte Leistungsdaten und Bedeutung für Gasverflüssigung
Die strukturelle Stabilisierung zeigt deutliche Auswirkungen auf die Eigenschaften des Kühlmaterials. Die reversible adiabatische Temperaturänderung erhöht sich von 3,8 Grad auf 8 Grad und wird damit mehr als verdoppelt, während die Kühlleistung über wiederholte Zyklen hinweg erhalten bleibt. Durch die Reduktion der Hysterese werden irreversible Energieverluste wirksam minimiert, sodass sowohl der magnetokalorische Effekt als auch die Gesamtbeständigkeit des Kühlmaterials unter Betriebsbedingungen verbessert werden.
Das optimierte Kühlmaterial arbeitet effizient bei extrem tiefen Temperaturen im Bereich von etwa −233 °C bis −113 °C. In diesem Temperaturfenster eignet es sich für die Verflüssigung von Gasen wie Wasserstoff, Stickstoff und Erdgas und kann damit eine Schlüsselkomponente bei der Entwicklung umweltfreundlicher Gasverflüssigungstechnologien darstellen. Das internationale Konsortium plant, die entwickelte Methodik auf ein breiteres Spektrum von Verbindungen anzuwenden, um die Technologie auf weitere Bereiche der Kühlung und Gasverflüssigung auszuweiten.
Die Ergebnisse sind das Produkt einer engen wissenschaftlichen Zusammenarbeit zwischen dem National Institute for Materials Science und dem Kyoto Institute of Technology in Japan, dem Japan Synchrotron Radiation Research Institute, der Universität Hyogo, der Universität Tohoku sowie der Technischen Universität Darmstadt in Deutschland. Unterstützt wurde die Arbeit von der Japanischen Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften, dem internationalen Forschungsprogramm JRP-LEAD mit Beteiligung der Deutschen Forschungsgemeinschaft, der Japanischen Agentur für Wissenschaft und Technologie im Rahmen des ERATO-Programms „Uchida Magnetische Materialien für das Wärmemanagement“ sowie der DFG innerhalb des CRC/TRR 270 „HoMMage“.
Originalpublikation: Xin Tang, Yoshio Miura, Noriki Terada, Enda Xiao, Shintaro Kobayashi, Allan Döring, Terumasa Tadano, Andres Martin-Cid, Takuo Ohkochi, Shogo Kawaguchi, Yoshitaka Matsushita, Tadakatsu Ohkubo, Tetsuya Nakamura, Konstantin Skokov, Oliver Gutfleisch, Kazuhiro Hono, and Hossein Sepehri-Amin: Control of Covalent Bond Enables Efficient Magnetic Cooling IN: „Advanced Materials“, 17. Dezember 2025 (Online vorab gedruckt) DOI: 10.1002/adma.202514295
