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Drastically reduced use of rare earths in applications of magnetocalorics

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Auf dem Weg zur magnetischen Kühlung bei Raumtemperatur

EU-finanzierte Forscher haben unter Ausnutzung des magnetokalorischen Effekts bereits existierende Technologien der magnetischen Kühlung verfeinert, um die seltenen Erden mit ihren einzigartigen magnetischen Eigenschaften wirkungsvoll anzuwenden.

Industrielle Technologien

Die gebräuchlichste Kühltechnologie beruht auf Kompressionskühlung und umfasst den Phasenübergang eines Kältemittels von der Flüssigkeit zum Gas und umgekehrt. Obgleich dieses Verfahren ausgereift ist, weist es eine eher geringe Energieeffizienz auf. Zudem werden die eingesetzten Substanzen demnächst verboten. In den letzten Jahren wurden mehrere neue Technologien als Alternativen zur Kühlung, Klimatisierung und sogar Energieerzeugung vorgeschlagen. Die magnetische (auch magnetokalorische) Kühlung ist als die Alternative mit der besten, in Experimenten erreichbaren Energieeffizienz untersucht worden. Das von der EU finanzierte Projekt DRREAM (Drastically reduced use of rare earths in applications of magnetocalorics) konzentrierte sich auf technologische Durchbrüche, die bei der magnetischen Kühlung erforderlich sind, um in spezielle Marktnischen zu gelangen. Die Forscher erwarteten keine Verdrängung der weit verbreiteten Kompressionskühlungstechnologie. Bei der magnetischen Kühlung erwärmt sich das Arbeitsmittel durch Anlegen eines Magnetfelds. Dieser Prozess verläuft analog der Kompressionsphase bei der Kompressionskühlung. Die aufgrund des magnetokalorischen Effekts erzeugte Wärme muss dann (analog zur Kondensation) abgegeben werden. Bislang war Gadolinium, ein relativ seltenes Metall und ein starker Ferromagnet, das Material, das am ehesten als geeignet für die magnetische Kühlung erachtet wurde. Das DRREAM-Team untersuchte La(FeSi)13-Verbindungen und deren Hydride, die vielversprechendsten Kandidaten für die magnetische Kühlung bei Raumtemperatur. Die Suche von DRREAM nach dem am besten geeignetem Material führte zur Entwicklung von zukunftsweisenden Werkzeugen zur Untersuchung von Phasenübergängen bei lanthanhaltigen Eisenlegierungen sowie bei Materialien, die frei von seltenen Erden sind. Unter Einsatz hochauflösender Neutronenbeugung wurden Ab-initio-Theorien über Magnetismus bei Raumtemperatur nachgeprüft. Zudem wurden unter Verwendung verschiedener Verfahren hergestellte Teile hinsichtlich ihrer thermomagnetischen Energieerzeugungseigenschaften untersucht. Die Forscher demonstrierten den Betrieb von Regeneratoren, die zu einer Verbesserung der Kühlleistung von Kühlschränken von 50 % führen. Endresultat des Projekts war, dass die Menge der seltenen Erden verringert werden kann, die in den magnetischen Haushaltskühlschränken der Zukunft zum Einsatz kommt. Im Einzelnen verspricht eine merkliche Verbesserung des Wissens über magnetokalorische Materialien, die frei von seltenen Erden sind, sowohl eine Senkung des Rohstoffverbrauchs als auch der zukünftigen Technologiekosten.

Schlüsselbegriffe

magnetische Kühlung, magnetokalorisch, seltene Erden, DRRAM, Lanthan

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