Wie der magnetokalorische und der elastokalorische Effekt neuartige effektive Wärmepumpen ermöglichen.

Die drohende Klimaveränderung mit ihren Folgen machts möglich: Zwei schon länger bekannte physikalische Phänomene könnten die Kühl- und Wärmepumpentechnik auf neue apparative Beine stellen, sowohl der magnetokalorische als auch der elastokalorische Effekt. Maschinen auf Basis dieser Werkstoffeigenschaften von bestimmten Metallen kommen ohne Verdichter aus – und ohne Kältemittel. Das gibt ihnen angesichts der Umweltbelastung der konventionellen Verfahren die neue Attraktivität.

"Die Nachfrage ist immens. Wir erhalten Anfragen für die Gebäude-Klimatisierung, für die Automobil-Klimatisierung – die Elektromobilität ist hier das große Thema, aber nicht nur die –, von Herstellern kleiner mobiler Klimatisierungsgeräte, die man im Sommer ins Büro oder in die Wohnung stellt und die dann die Wärme nach draußen blasen, von der Heizungsindustrie. Sie alle werden wach. Wir arbeiten an Konzepten für den Massenmarkt und denken auch an eine eigene Ausgründung", so Felix Welsch, Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Intelligente Materialsysteme der Universität des Saarlands, Saarbrücken, und Spezialist für elastokalorisches Heizen und Kühlen.

Genauso wie das magnetokalorische Prinzip, zu dem schon in den 1970er-Jahren Veröffentlichungen für den Einsatz in der Kühltechnik erschienen, schlummerte die Technologie in der Vergangenheit vor sich hin. Einfach deshalb, weil die Werkstofffrage zu komplex beziehungsweise der Markt zu klein war, um angesichts etablierter und bewährter Systeme, eben den elektromotorischen Verdichtern, von Seiten der Zulieferer, den Stahlschmelzern, in dieses Gebiet der Metallurgie zu investieren.

Die Situation hat sich geändert. Die Themen Klimaveränderung, CO₂-Anreicherung, Energieeffizienz, Treibhauspotential ("GWP") der Kältemittel, Verzicht auf Kern- und Kohleenergie führen zu einer Besinnung auf Effekte, die sowohl wegen ihrer Effizienz als auch ihrer Null-Emissionen die momentan marktbeherrschenden Verfahren zur Wärmebereitstellung eines nicht allzu fernen Tages ablösen könnten.

Im Prinzip handelt es sich um Wärmetransportvorgänge. Darauf basiert generell ein Teil der Erneuerbaren Energien. Auch die gewöhnliche Wärmepumpe ist ja kein Heizenergieerzeuger, der die chemisch gebundene Energie von Öl, Kohle, Gas in Wärme umwandelt. Selbst wenn sie mehrheitlich so bezeichnet wird. Denn sie macht auch nichts anderes, als beispielsweise Erdwärme in die Wohnzimmer zu transportieren und dabei die Temperatur ein wenig anzuheben. Für die Temperaturerhöhung von vielleicht 283 K (= ca. 10 °C) auf 303 K (= 30 °C) und für die Wärmeaufnahme und -abgabe sind klassisch der Kompressor sowie der Phasenwechsel des Kältemittels – Kondensieren und Verdampfen mit entsprechendem Energieumsatz – zuständig.

Doch müssen es die beiden Bauteile Kondensator und Verdampfer nicht unbedingt sein. In erstarrten Metallen und Keramiken nämlich kann unter bestimmten Bedingungen und Temperaturen ein weiterer energieintensiver Phasenwechsel stattfinden und zwar in der Form, dass sich die Elektronen beziehungsweise die Moleküle in den Kristallen des Feststoffes unter Wärmezufuhr und -abgabe hin umordnen. Reversibel umordnen, also auch wieder den Ursprungszustand einnehmen. Nur leider nicht "natürlich" bei Zimmertemperatur. Den Stahlkochern ist es jedoch gelungen, diesen Umkehrpunkt auf die für Heizzwecke obligatorische Ebene abzusenken. Zum Phasenwechsel selbst bedarf es dann lediglich einer Anregung, etwa dem Anlegen eines Magnetfelds (magnetokalorisch) oder einer Dehnspannung (elastokalorisch).

Die "Deutsche Kälte- und Klimatagung" (20. bis 22. November 2019, Ulm) des Deutschen Kälte- und Klimatechni-schen Vereins – DKV e.V. ist jüngst beispielsweise in mehreren Vorträgen auf den Stand dieser Technik eingegangen. Der Veranstalter reagierte damit auf die Relevanz des Themas: Aufgrund der Erfolge in der Entwicklung entsprechend sensibler Materialien räumt die Branche dem Verfahren durchaus das Potential ein, sich in serienreife Wärme- und Kälteerzeuger umsetzen zu lassen.

Änderung des Elektronenspins

Magnetokalorische Materialien erwärmen sich bei Anlegen eines magnetischen Felds und kühlen nach dem Abschalten wieder ab. Das Verblüffende: Sie kühlen unter die Ausgangstemperatur ab. Das hat etwas mit der Umordnung der Elektronen im Material, dem Phasenwechsel des Elektronenspins, zu tun. Das Magnetfeld aktiviert ihn. Die notwendige Umwandlungsenergie entzieht die Legierung der Umgebung (Kühlen). Das Abschalten des Magnetfelds setzt die aufgesaugte Umweltenergie wieder frei (Heizen). Die Elektrizität gleicht ausschließlich die Verluste aus, wie sie bei jedem Prozess anfallen. Das heißt, das Material würde ohne Magnetfeld-Strom nicht in dem Maße unter Starttemperatur abkühlen, wie es sich erwärmt.

Ein Mitarbeiter des Fraunhofer-Instituts für Physikalische Messtechnik (IPM), Freiburg: "Das Ausrichten der Elektronen müssen Sie sich wie beim Militär vorstellen. Einschalten können Sie mit »Stillgestanden« gleichsetzen, mit Aufstellen in Reih und Glied, Ausschalten mit »Rührt euch«". Die Erhitzung muss natürlich außerhalb des Kühlschranks geschehen, sonst würde die Butter wieder schmelzen. In der Praxis rotiert das Material also ins Magnetfeld hinein und wieder heraus.

Die Schwierigkeit liegt darin, eine Legierung zu finden, die bereits bei niedrigen magnetischen Feldstärken, wie sie Permanentmagnete erzeugen, hohe Temperaturen generiert. Lanthan, Gadolinium, Nickel, Mangan, Eisen eignen sich dafür. Die Legierung muss aber hochrein sein, weil sonst der Effekt darunter leidet. Darüber hinaus darf das Material die Spinveränderung nicht ausschließlich bei einer ganz exakten Temperatur gestatten, sondern großzügig innerhalb eines Temperaturbands. Die Rede ist ja unter anderem von einer Wärmepumpe, mithin von der Einbindung von Umweltenergie. Die strömt die unterkühlte Seite des Materials an und der Umbau der Elektronenstruktur speichert sie latent. Nun tun sich magnetokalorische Legierungen mit wechselnden Temperaturen schwer. Der Energietransport dieser Art findet nur innerhalb eines sehr schmalen Kelvinbereichs statt. Geothermie kommt deshalb als Wärmequelle eher infrage als die Außenluft mit ihrer erheblichen Temperaturspanne. Die Metallurgen forschen. Wobei neben der Qualität natürlich auch die Verfügbarkeit, sprich der Preis, eine tragende Rolle spielt. Der Idealwerkstoff Gadolinium etwa scheidet wegen seiner Seltenheit für die Massenherstellung aus.

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