Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung des National Institute for Materials Science in Japan und der Technischen Universität Darmstadt in Deutschland hat einen wichtigen Fortschritt in der Entwicklung magnetischer Kühlmaterialien erzielt. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Fachzeitschrift „Advanced Materials“ veröffentlicht und bieten neue Lösungsansätze für die Entwicklung effizienter und nachhaltiger Kühltechnologien.
Herkömmliche Klimaanlagen und Kühlschränke nutzen meist Dampfkompressionskreisläufe und chemische Kältemittel, die einen erheblichen Einfluss auf die globale Erwärmung haben. Die magnetische Kühltechnik, die den magnetokalorischen Effekt nutzt, bietet eine sauberere Alternative – bestimmte Materialien ändern ihre Temperatur unter Einwirkung eines externen Magnetfelds. Die Forschenden standen jedoch lange vor einem grundlegenden Dilemma: Materialien mit hoher Kühlwirkung weisen oft irreversible Energieverluste, sogenannte Hystereseeffekte, auf, die zu einem schnellen Leistungsabfall unter Betriebsbedingungen führen; während traditionelle, langlebige Materialien nicht die für praktische Anwendungen erforderliche große Kühlwirkung erreichen konnten.
Das Forschungsteam erzielte einen entscheidenden Durchbruch durch einen neuen Ansatz im Materialdesign. Durch präzise Einstellung der chemischen Zusammensetzung gelang es ihnen, die kovalenten Bindungen zwischen den Atomen so fein abzustimmen, dass irreversible Energieverluste minimiert wurden. Der Forschungsschwerpunkt lag auf der Verbindung Gd5Ge4 aus Gadolinium und Germanium, einem magnetischen Kühlmaterial, das sich erwärmt, wenn ein externes Magnetfeld die mikroskopischen magnetischen Momente seiner Atome ausrichtet.
Die Forschenden fanden heraus, dass der Leistungsabfall des Materials durch eine strukturelle Umwandlung während des magnetischen Phasenübergangs verursacht wird. In Gd5Ge4 führen Änderungen der Bindungsabstände zwischen den Germaniumatomen, welche die Strukturschichten verbinden, zu Hysterese und Leistungsverschlechterung bei wiederholter Nutzung. Um dieses Problem zu lösen, ersetzte das Team einen Teil des Germaniums durch Zinnatome und steuerte so präzise die kovalenten Bindungen des Materials. Diese chemische Anpassung stabilisierte den Abstand zwischen den inneren Strukturschichten des Materials während des Übergangs und pufferte effektiv die atomaren Verschiebungen ab, die zuvor den Leistungsabfall verursacht hatten.
Diese Anpassung zeigte bemerkenswerte Wirkung: Das Material behielt seine Kühlleistung über viele Zyklen hinweg bei und verdoppelte gleichzeitig seine reversible adiabatische Temperaturänderung von 3,8 °C auf 8 °C. Dieser Durchbruch steigerte sowohl den magnetokalorischen Effekt als auch die Gesamtbeständigkeit des Materials und eröffnete einen nachhaltigen Weg zu Hochleistungs-Magnetkältemitteln.
Da diese Materialien im niedrigen Temperaturbereich von etwa -233 °C bis -113 °C effizient arbeiten, sind sie ideal für Gasverflüssigungsanwendungen geeignet. Daher stellen diese Materialien eine Schlüsselkomponente für die Entwicklung umweltfreundlicher Gasverflüssigungstechnologien dar. Für die Zukunft plant das Forschungsteam, diesen Ansatz auf eine breitere Palette von Verbindungen anzuwenden und so den Anwendungsbereich dieser Technologie in verschiedenen Kühl- und Gasverflüssigungsbereichen zu erweitern.
Dieser Fortschritt bei magnetischen Kühlmaterialien legt eine wichtige Grundlage für die Entwicklung energieeffizienterer Technologien und nachhaltiger Lösungen zur Gasverflüssigung.
Veröffentlichungsdetails: Autoren: Xin Tang et al., Titel: „Covalent Bond Control Enables Efficient Magnetic Cooling“, erschienen in: Advanced Materials (2025). Zeitschrifteninformation: Advanced Materials
