Magnetokalorik – Kühltechnik der Zukunft

Kältemittelfreie Kühlung

Die Kältetechnik ist ein schnell wachsender Markt mit hohem Energiebedarf. Selbst im relativ kühlen Deutschland werden pro Jahr über 72.000 GWh Strom zur Kälteerzeugung verbraucht. Nahezu alle heute verfügbaren Kältesysteme funktionieren nach dem Kompressor-Prinzip, wobei die Wärme über den veränderten Aggregatzustand eines Kältemittels abgeführt wird. Das Problem: Alle Kältemittel weisen ein mehr oder weniger großes Treibhauspotenzial auf. Weitere Nachteile: Kompressoren benötigen viel Platz, sind laut und müssen gewartet werden. Genug Gründe für Fraunhofer IPM, in das aussichtsreiche Forschungsgebiet der alternativen magnetischen Kältetechnik einzusteigen.

Auf Basis des magnetokalorischen Effekts lassen sich besonders energieeffiziente Kühlsysteme entwickeln, die ganz ohne Kältemittel auskommen. Sie basieren auf sogenannten magnetokalorischen (MK) Materialien. MK-Materialien sind magnetisierbare Materialien, die sich bei Einwirkung eines magnetischen Feldes erwärmen und bei Entfernen des Feldes entsprechend wieder abkühlen. So lässt sich ein Kühlzyklus realisieren.

Systemaufbau trägt entscheidend zur Kühlleistung bei

Magnetokalorische Materialien sind in den vergangen Jahren deutlich effizienter und preiswerter geworden. Für eine Industrialisierung müssen sie jedoch in großem Maßstab herstellbar sein. Zudem müssen für den Aufbau von Kühlsystemen Materialformgebung und Systementwicklung  entwickelt werden. Der Systemaufbau trägt entscheidend zur Kühlleistung bei. Fraunhofer IPM greift beim thermischen Systemdesign und der thermischen Anbindung von Komponenten auf Erfahrungen aus dem Bereich der Thermoelektrik zurück. Wissenschaftler am Institut erforschen in diesem Zusammenhang die Optimierung der Wärmeübertragung vom magnetokalorischen Material an das zu kühlende oder zu erwärmende Medium. Die eingesetzten Techniken erzielen eine bis zu 1000-fach höhere Wärmeübertragung als dies z. B. durch reine Wärmeleitfähigkeit von Kupfer möglich wäre.

Das Prinzip der magnetokalorischen Kühlung

© Foto Daniel Hellweg (Grafik)/Fraunhofer IPM

Die Wärme wird nach dem Prinzip einer thermischen Diode in nur eine Richtung »weitergeschoben«: Durch die im Magnetfeld erzeugte Wärme verdampft Flüssigkeit im MK-Material (1). Der Druck im Segment steigt. Das Überdruckventil öffnet sich, sodass Dampf in das Nachbarelement gelangt (2). Nach Abschalten des Magneten kühlt das MK-Material auf unter die Ausgangstemperatur ab (3) Der Dampfdruck sinkt. Es entsteht ein Unterdruck gegenüber dem vorangehenden Segment. Gasförmiges Fluid strömt nach, Wärme wird aus dem vorangehenden Segment aufgenommen. (4)

Öffentlich geförderte Projekte im Bereich »Kältemittelfreie Kühlung«