Das National Institute for Materials Science (NIMS) in Japan hat in Zusammenarbeit mit dem National Institute of Technology (KOSEN) und der Oshima University erfolgreich ein neues Regeneratormaterial für die Kälteerzeugung entwickelt. Dieses Material besteht ausschließlich aus reichlich vorhandenen Elementen wie Kupfer, Eisen und Aluminium und kann extrem niedrige Temperaturen von etwa 4 K (-269°C) erreichen, ohne auf Seltenerdmetalle oder flüssiges Helium angewiesen zu sein.

Die Forschung nutzt den sogenannten „Frustrationseffekt“, der in magnetischen Materialien mit Dreiecksgitterstruktur auftritt, um eine hohe spezifische Wärmekapazität des Materials auch bei tiefen Temperaturen aufrechtzuerhalten. Das Team bestätigte, dass die Leistung dieses aus Übergangsmetallen bestehenden Materials mit der herkömmlicher kühlender Materialien, die das Seltenerdmetall Holmium enthalten, vergleichbar ist. Die zugehörigen Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Scientific Reports“ veröffentlicht. Dieser Fortschritt bietet einen neuen technologischen Weg, um die Probleme der instabilen Versorgung mit flüssigem Helium und Seltenerdressourcen zu lösen.

Die derzeit weit verbreitete Kryotechnik, die beispielsweise in der medizinischen Magnetresonanztomographie zum Einsatz kommt, ist stark von flüssigem Helium und Seltenerdelementen abhängig. Die jährliche globale Produktion des Seltenerdelements Holmium ist begrenzt und ungleichmäßig verteilt. Da der Bedarf an Kälteerzeugung für Zukunftstechnologien wie Quantencomputer voraussichtlich weiter wachsen wird, ist die Entwicklung neuer Kühltechnologien auf Basis reichlich vorhandener Elemente von besonderer Bedeutung.

Das von dem Forschungsteam entwickelte neue Material ist speziell für Gifford-McMahon-Kälteerzeugungsmaschinen bestimmt, eine Schlüsselkomponente für die Kälteerzeugung ohne flüssiges Helium. Die Forscher erklärten: „Dies ist der erste Fall, in dem ein magnetisches Regeneratormaterial für Kälteerzeuger ohne Seltenerdelemente praktisch nutzbare Leistung zeigt.“ Dieses neue Material könnte für medizinische Bildgebungsgeräte und Quantencomputer stabilere und nachhaltigere Kühllösungen bieten und die Abhängigkeit von knappen Ressourcen verringern.

Veröffentlichungsdetails: Autoren: Noriki Terada et al., Titel: „Innovative Cryocooler Materials via Spin Frustration Using Abundant Elements“, erschienen in: Scientific Reports (2025). Zeitschrifteninfo: Scientific Reports