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StartseiteForschung aktuellMetamagnet statt Kompressor03.06.2009

Metamagnet statt Kompressor

Künftige Haushaltskühlschränke und Klimaanlagen sollen viel weniger Energie verbrauchen

Technik. - Die meisten Haushaltskühlschränke sind sogenannte Kompressionskältemaschinen, in denen ein Kühlmittel, mal flüssig, mal gasförmig, zirkuliert. Das Prinzip hat sich bewährt, doch ist es nicht mehr zeitgemäß. Physiker und Ingenieure arbeiten an Nachfolgern, die ohne klimaschädliche Kältemittel auskommen und wesentlich weniger Energie verbrauchen. An die Stelle des Kompressors treibt dabei ein Metamagnet den Kühlkreislauf an.

Von Volker Mrasek

Metamagnete sollen den Energieverbrauch von Kühlschränken senken. (Stock.XCHNG)
Metamagnete sollen den Energieverbrauch von Kühlschränken senken. (Stock.XCHNG)

Noch erkennt man ihn an seinem typischen Brummen, den gewöhnlichen Haushaltskühlschrank. Doch schon in vier bis fünf Jahren könnte das anders sein. Dann wollen Entwickler erste Küchengeräte präsentieren, die keinen Kompressor mehr besitzen, sondern einen geräuschlosen Magnetantrieb.

Wie man sich das vorstellen muss, erläutert James Moore, Physiker und Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Imperial College in London:

"Den Kühleffekt erzeugt ein Material, das sich magnetisieren lässt. Es ist das Herzstück des Prozesses. Auf der Rückseite des Kühlschranks gibt es einen festen Dauermagneten und eine Scheibe, die sich dreht. Darauf befindet sich unser spezielles Material. Bei jeder Rotation gerät die Scheibe in das Feld des Dauermagneten und dann wieder heraus. Im Feld wird sie magnetisiert und erwärmt sich dabei. Außerhalb des Feldes wird sie wieder entmagnetisiert und kühlt sich ab, und zwar deutlich unter die Raumtemperatur. Das machen wir uns in unserem Kühlschrank zunutze."

James Moore beschreibt hier den so genannten magnetokalorischen Effekt. Er tritt bei Salzen auf, die ihre Kristallstruktur verändern, sobald man sie einem Magnetfeld aussetzt - und die zu ihrer ursprünglichen inneren Ordnung zurückkehren, wenn sie das Feld wieder verlassen. Damit ist jedes Mal eine thermische Reaktion verbunden: Erwärmung und Abkühlung wechseln einander ab.

"In einem magnetischen Kühlschrank nehmen wir einfach Wasser als Kälteüberträger. Es zirkuliert in einem geschlossenen Kreislauf. Dort, wo unsere Scheibe entmagnetisiert wird, kühlt sich das vorbeifließende Wasser ab und wird dann in den Innenraum des Kühlschranks geleitet."

Die umschaltbaren Salze mit dem Kühleffekt nennt man auch Metamagnete. Sie werden bereits verwendet. Es sind Metalllegierungen, die das chemische Element Gadolinium enthalten. Doch dieses Seltenerde-Metall sei für Haushaltskühlschränke nicht zu gebrauchen, sagt Lesley Cohen, Professorin und Festkörperphysikerin am Imperial College:

"Gadolinium ist ausgesprochen teuer und kommt deshalb für Anwendungen im Alltag nicht in Frage. Es ist zwar schon lange in Gebrauch. Doch nur für Spezialanwendungen, zum Beispiel in der Raumfahrt oder bei wissenschaftlichen Experimenten, die sehr tiefe Temperaturen erfordern."

Doch Cohen und Moore wähnen sich jetzt einen entscheidenden Schritt weiter auf ihrem Weg zum Haushaltskühlschrank mit Metamagnet-Antrieb. Gemeinsam mit US-Forschern haben sie nämlich festgestellt: Nicht die Metallsorte ist für ihre Zwecke entscheidend, sondern die Nanostruktur im Inneren des Materials.

Es kommt an auf feine Störungen im Kristallgitter der Legierungen. Auf widerspenstige Metallatome, die sich nicht in die übergeordnete Struktur des Kristalls fügen wollen. Sie sind es, die die metamagnetischen Eigenschaften bestimmen, wie die Physiker herausgefunden haben. Und: Solche Einschlüsse lassen sich künstlich erzeugen. Demnach braucht man gar kein sündhaft teures Gadolinium:

"Unsere Forschungsarbeit zeigt: Es sollte grundsätzlich möglich sein, das Material maßzuschneidern, das wir brauchen. Wir sprechen hier von Nanostrukturierung. Mit ihrer Hilfe müsste es gelingen, das Verhalten von Metalllegierungen in einem Magnetfeld zu optimieren und zu einem stärkeren Kühleffekt zu kommen."

Vergleicht man den Wirkungsgrad, mit dem sie elektrische Energie in Kälte umwandeln, dann sind Magnetkühlschränke den heutigen Modellen schon jetzt voraus: In Labortests erreichten erste Prototypen bis zu 60 Prozent. Ein Standardgerät mit Kompressor schafft allenfalls 40. Für Lesley Cohen ist das ein unschätzbarer Vorteil - zumal Metamagnete auch den Energieverbrauch von Klimaanlagen absenken könnten:

"Es ist an der Zeit, Energie einzusparen, wo immer es geht. Da kommt das Metamagnetkonzept gerade recht. Nehmen Sie nur die USA: Rund 50 Prozent ihres gesamten Energieverbrauchs im Sommer gehen auf das Konto von Kühlschränken und Klimaanlagen."

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