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Darmstadt. Forschende eines internationalen Konsortiums, darunter das NIMS in Japan, die TU Darmstadt und weitere renommierte Institute, haben einen neuen Weg zu nachhaltiger Kühlung eröffnet. Die in „Advanced Materials“ veröffentlichte Studie markiert einen bedeutenden Fortschritt in der Kühltechnologie.
Herkömmliche Klimaanlagen und Kühlschränke basieren auf dem Dampfkompressionszyklus und nutzen Kältemittel, die erheblich zur globalen Erwärmung beitragen. Die magnetische Kühlung bietet eine umweltfreundliche Alternative, da sie den magnetokalorischen Effekt (MCE) nutzt; ein Phänomen, bei dem bestimmte Materialien ihre Temperatur ändern, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt werden.
Bislang standen Forschende vor einem grundlegenden Dilemma: Materialien mit hoher Kühlleistung litten häufig unter irreversiblen Energieverlusten, einem als Hysterese bekannten Effekt, der unter Betriebsbedingungen zu einer schnellen Abnahme der Kühlleistung führt. Umgekehrt erreichten die herkömmlichen, langlebigen Materialien nicht die für praktische Anwendungen erforderliche hohe Kühlleistung.
Der entscheidende Durchbruch gelang dem Forschungsteam durch einen neuartigen Ansatz im Materialdesign. Durch die gezielte Feinabstimmung der (kovalenten) Atombindungen mittels einer präzisen Kontrolle der chemischen Zusammensetzung konnten irreversible Energieverluste minimiert werden. Die Studie konzentrierte sich dabei auf eine Verbindung aus Gadolinium (Gd) und Germanium (Ge): Gd₅Ge₄. Dieses magnetische Kühlmaterial erwärmt sich, wenn ein äußeres Magnetfeld die winzigen magnetischen „Spins“ der Atome ausrichtet.
Die Forschenden stellten fest, dass die Leistungsminderung dieses Materials auf strukturelle Übergänge während der magnetischen Übergänge zurückzuführen ist. In Gd₅Ge₄ tragen sich ändernde Bindungslängen zwischen Germaniumatomen, welche atomare Schichten in der Kristallstruktur miteinander verbinden, zur Hysterese und zur Leistungsabnahme bei wiederholten Zyklen bei.
Zur Lösung dieses Problems ersetzte das Team einen Teil des Germaniums durch Zinnatome (Sn), um die kovalente Bindung des Materials gezielt einzustellen. Diese chemische Modifikation stabilisiert den Abstand zwischen den Kristallstrukturschichten während der Zustandsänderungen, wodurch die atomaren Verschiebungen, die zuvor zur Degradation geführt hatten, wirksam gedämpft werden.
Ergebnisse und zukünftige Auswirkungen
Die Auswirkungen dieser gezielten Anpassung sind tiefgreifend. Das Material behält nun seine Kühlleistung über wiederholte Zyklen hinweg bei und erreicht gleichzeitig mehr als eine Verdopplung der reversiblen adiabatischen Temperaturänderung (Temperaturänderung ohne externen Wärmeaustausch) von 3,8 Grad auf 8 Grad.
Dieser Durchbruch verbessert demnach sowohl den magnetokalorischen Effekt als auch die Gesamtbeständigkeit des Materials und ebnet damit den Weg für nachhaltige und leistungsstarke magnetische Kältemittel. Die effiziente Arbeitsweise dieser Materialien bei extrem tiefen Temperaturen im Bereich von ca. -233 °C bis -113 °C macht sie zu einer hervorragenden Wahl für die Verflüssigung von Gasen wie Wasserstoff, Stickstoff und Erdgas. Sie sind somit eine Schlüsselkomponente bei der Entwicklung umweltfreundlicher Gasverflüssigungstechnologien.
In Zukunft plant das Konsortium, diese Methodik auf ein breiteres Spektrum von Verbindungen anzuwenden, um so die Technologie auf verschiedene Bereiche der Kühlung und Gasverflüssigung auszuweiten.
Die Ergebnisse sind das Produkt einer engen, internationalen wissenschaftlichen Kooperation zwischen dem National Institute for Materials Science (NIMS) und dem Kyoto Institute of Technology (KIT) in Japan, dem Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI), der Universität Hyogo und der Universität Tohoku in Japan und der Technischen Universität Darmstadt in Deutschland.
Weitere Informationen
Diese Arbeit wurde unterstützt von: Japanische Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften (JSPS), Internationales gemeinsames Forschungsprogramm (JRP-LEAD mit DFG), Japanische Agentur für Wissenschaft und Technologie (JST) ERATO „Uchida Magnetische Materialien für das Wärmemanagement" und Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) innerhalb des CRC/TRR 270 „HoMMage“
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www.tu-darmstadt.de
Dr. Konstantin Skokov
TU Darmstadt
Institut für Materialwissenschaft
Funktionale Materialien
E-Mail: konstantin.skokov@tu-darmstadt.de
Tel.: 06151 16-22151
http://www.mawi.tu-darmstadt.de/fm
Xin Tang, Yoshio Miura, Noriki Terada, Enda Xiao, Shintaro Kobayashi, Allan Döring, Terumasa Tadano, Andres Martin-Cid, Takuo Ohkochi, Shogo Kawaguchi, Yoshitaka Matsushita, Tadakatsu Ohkubo, Tetsuya Nakamura, Konstantin Skokov, Oliver Gutfleisch, Kazuhiro Hono und Hossein Sepehri-Amin: „Control of Covalent Bond Enables Efficient Magnetic Cooling”, in: „Advanced Materials“, 17. Dezember 2025, DOI: 10.1002/adma.202514295.
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Studierende, Wirtschaftsvertreter, Wissenschaftler
Energie, Werkstoffwissenschaften
überregional
Forschungsergebnisse, Wissenschaftliche Publikationen
Deutsch
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