Magnetisch kühlen

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Mithilfe magnetischer Kühlung gelingt es Forschern, tiefe Temperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunkts zu erzeugen. Doch leider ließ sich diese Methode bislang nicht für herkömmliche Kühltechnik im Haushalt verwenden, da sie sich aufgrund des eingesetzten Kühlmittels auch nur für jene tiefen Temperaturen eignete und zudem extrem starke Labormagnetfelder benötigte. Nun fanden Wissenschaftler ein Material, das auch bei Raumtemperatur seine kühlende Wirkung entfaltet und noch dazu mit schwächeren Magnetfeldern auskommt.

Thorsten Krome

Wenngleich heute keine Ozon-abbauenden Fluorchlorkohlenwasserstoffe mehr als Kühlmittel in Kühlschränken verwendet werden, und die Geräte unter anderem dank besserer Isolierung weniger Energie verbrauchen, so belasten sie dennoch die Umwelt in gehörigem Maße. Zum Beispiel entfallen in der Europäischen Union etwa sechs Prozent (109 Terawattstunden) des gesamten Stromverbrauchs auf Kühl- und Gefriergeräte im Haushalt. Sie machen damit etwa 25 Prozent der Stromrechnung aus und sind letztlich für einen großen Teil der CO₂-Emission verantwortlich. Alternativen zum herkömmlichen Kompressor-Kühlschrank müssen also her. Doch welche Möglichkeiten gibt es?

In der Forschung nutzt man beispielsweise den so genannten magnetokalorischen Effekt. Hierbei werden die magnetischen Momente eines paramagnetischen Materials in einem starken Magnetfeld ausgerichtet. Die Ordnung des Systems erhöht sich dadurch, das heißt, die Entropie verringert sich. Da die Entropie nach den Gesetzen der Thermodynamik jedoch nur größer werden darf, nicht jedoch kleiner, muss sie sich an anderer Stelle entsprechend erhöhen: Das geschieht, indem die Atome nun verstärkt um ihre Ruhelage schwingen – das Material also Wärme aufnimmt.

Wird diese Wärmeenergie schließlich auf anderem Wege, beispielsweise über Wärmeleitung, abgeführt und anschließend das Magnetfeld abgeschaltet, dann zeigen die magnetischen Momente wieder ungeordnet in alle Raumrichtungen – die Entropie nimmt nun wieder zu. Entsprechend fällt die Temperatur und zwar unter die Ausgangstemperatur, denn ein Teil der Wärmeenergie wurde ja bereits abgeführt.

Diese Art der magnetischen Kühlung, die im Labor durchaus Einsatz findet, brachte in der Vergangenheit jedoch zwei Probleme mit sich: Zum einen ändern die meisten bekannten Materialien nur bei sehr tiefen Temperaturen weit unterhalb der Raumtemperatur ihre Entropie derart, dass sich damit kühlen lässt. Zum anderen muss das Magnetfeld äußerst stark sein, um einen wirksamen Effekt zu erzielen – bis zu fünf Tesla sollten es schon sein. Derartig hohe Magnetfelder lassen sich jedoch nur im Labor erzeugen.

Scheiden also die paramagnetischen Materialien als Kühlmittel für den Hausgebrauch aus? Offenbar nicht, wie Ekkes Brück und seine Kollegen von der Universiteit van Amsterdam herausfanden. Die Forscher konnten eine paramagnetische Verbindung aus Mangan, Eisen, Phosphor und Arsen herstellen, die schon bei Raumtemperatur eine deutliche Entropieänderung im Magnetfeld aufweist. Zudem gelang das bereits bei etwa zwei Tesla – also einer Feldstärke, die mit starken Permanentmagneten noch zugänglich ist. Während nun Kühlschränke, die mit herkömmlicher Kompressor-Technik arbeiten, einen Wirkungsgrad von 40 Prozent erreichen, ließen sich mit magnetischer Kühlung schon bis zu 60 Prozent erzielen. Außerdem lässt sich die Kühlleistung von einigen Milliwatt bis hin zu einigen hundert Watt frei einstellen.

Dank seiner guten Eigenschaften und niedrigen Herstellungskosten könnte das neue Material also durchaus ein vielversprechender Kühlmittelersatz für Haushaltskühlschränke oder Klimaanlagen sein. Doch eines sollte man beachten: Selbst zwei Tesla sind noch etwa das 40 000-fache des irdischen Magnetfelds, Scheckkarten sollten also tunlichst nicht in die Nähe eines solchen Kühlschranks kommen. Und auch das Bild eines Fernsehgeräts könnte durch das Magnetfeld verzerrt werden. Aber vielleicht lassen sich die nötigen Felder mit weiteren Verbesserungen und anderen Materialkombinationen noch weiter verringern, sodass einer Heimanwendung des magnetokalorischen Effekts nichts mehr im Wege steht.