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entdeckt_01_2015

entdeckt 01 .15 TITEL WWW.HZDR.DE Rund 30 Prozent effizienter als herkömmliche Technologie Eine Alternative dazu könnte die magnetische Kühlung bieten, bei der ganz auf Kompressor und bislang übliche Kältemittel verzichtet wird. „Würde man die magnetischen Eigenschaften bestimmter Materialien nutzen, könnte man etwa 30 Prozent effizientere Kühlschränke bauen“, erläutert die HZDR-Dokto- randin Mahdiyeh Ghorbani Zavareh. Die 31-jährige Iranerin untersucht am Hochfeld-Magnetlabor Dresden (HLD) Stoffe und Legierungen, bei denen der sogenannte magnetokalorische Effekt besonders stark ausgeprägt ist: „Magnetokalorische Materialien erwärmen sich, wenn man sie einem starken Magnetfeld aussetzt. Sobald sie sich jedoch nicht mehr im Feld befinden, kühlen sie wieder ab.“ Physiker nutzen dabei ein thermodynamisches Grundprinzip: Entropie – sehr vereinfacht gesagt, das Maß der Unordnung in einem System – darf in einem derartigen Kreislauf nicht abnehmen. Wird ein magnetokalorisches Material in ein Mag- netfeld gebracht, ordnen sich die magnetischen Momente in dem Stoff und die magnetische Entropie sinkt. Zum Ausgleich muss deshalb die Entropie im Atomgitter zunehmen: Die Atome bewegen sich stärker und sorgen somit für einen Tem- peraturanstieg im Material. Diese Wärme kann außerhalb des Kühlschrankes abgeführt werden. Bewegt man das Kühlmate- rial nun aus dem Magnetfeld, geht die magnetische Ordnung wieder verloren und die Atome im Material reagieren erneut: Sie schwingen weniger und die Temperatur nimmt ab. Das nun abgekühlte Material kann damit Wärme – in diesem Fall aus dem Inneren des Geräts – aufnehmen und der Kühlkreislauf kann von Neuem beginnen. Suche nach dem besten Material Das Wechselspiel aus Magnetismus und Thermodynamik nutzen Wissenschaftler schon seit einiger Zeit, um besonders tiefe Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt zu errei- chen. Und auch für den Hausgebrauch existieren schon erste Prototypen: An der Rückseite eines solchen Kühlschranks ist ein Dauermagnet angebracht, durch den sich eine Scheibe mit einem magnetokalorischen Material dreht. Bislang wird dabei allerdings noch oft das Seltenerdmetall Gadolinium genutzt, das für eine Massenproduktion viel zu teuer wäre. „Um meinen Aufbau zu testen, habe ich zunächst ebenfalls Gadolinium ge- nutzt. Für spätere Anwendungen ist aber vor allem interessant, welche alternativen Verbindungen mit ähnlichen Eigenschaften in Frage kommen. Mit meinem experimentellen Aufbau können wir nun verschiedene magnetokalorische Materialen untersu- chen“, sagt Mahdiyeh Ghorbani Zavareh. Diese unterschiedlichen Proben testet die Wissenschaftlerin unter dem Einfluss starker Magnetfelder. Dazu werden hohe Ströme über kurze Zeiträume durch speziell am HZDR gefer- tigte Spulen geleitet; so entstehen intensive Magnetpulse. Bis zu einer – je nach Material verschiedenen – Obergrenze gilt dabei die einfache Regel: Je größer das Magnetfeld in einem Puls ist, desto höher ist auch der erreichte Temperatur- unterschied. Um praxistaugliche Aussagen treffen zu können, Mahdiyeh Ghorbani Zavareh Mahdiyeh Ghorbani Zavareh hat in ihrer Heimatstadt Isfahan (Iran) an der University of Technology Physik studiert. Sie zählte dort zu den besten Absolventen ihres Jahrgangs und schloss mit einer theoretischen Masterarbeit zur Interaktion von Elektronen in Graphen-Nanobän- dern ab. Gemeinsam mit ihrem Ehemann zog sie Ende 2011 nach Dresden: „Nachdem mein Mann die Zusage für seine Promotion am Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung des HZDR erhalten hatte, wurde auch eine Stelle am Hochfeld-Magnetlabor Dresden ausgeschrieben.“ Im Februar 2012 begann die junge Iranerin dann ihre Promotion. KONTAKT _Hochfeld-Magnetlabor Dresden am HZDR Mahdiyeh Ghorbani Zavareh m.ghorbani@hzdr.de ist aber vor allem die Dauer der Magnetpulse entscheidend: „Die Pulse hier am HLD dauern zwischen 10 und 100 Milli- sekunden. Das entspricht exakt der Frequenz von 10 bis 100 Hertz, mit der später auch echte Magnetkühlschränke arbei- ten könnten“, erklärt die Physikerin. Die Kühlleistung wird somit unter relevanten Bedingungen im Labor gemessen und kann auf potenzielle Anwendungen übertragen werden. In den bisherigen Experimenten konnte die Temperatur um bis zu zehn Grad pro Kühlzyklus gesenkt werden – mehr als genug, um vielleicht in Zukunft auch im Haushalt Butter und Käse mit Magneten frisch zu halten. PUBLIKATION: M. Ghorbani Zavareh u. a.: „Direct measurements of the magnetocaloric effect in pulsed magnetic fields: The example of the Heusler alloy Ni50 Mn35 In15 “, in Applied Physics Letters 106 (2015, DOI 10.1063/1.4913446)

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