Zinnatome mindern Hysterese magnetischer Kühlmaterialien
Bisher war ein Problem magnetischer Kühlung, dass die Kühlleistung der Materialien unter Betriebsbedingungen schnell abnimmt. Ein internationales Forschungskonsortium konnte diesen Effekt durch Verändern des Materials nun eindämpfen.
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Die magnetische Kühlung nutzt den magnetokalorischen Effekt (MCE), ein Phänomen, bei dem bestimmte Materialien ihre Temperatur ändern, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt werden. Der Grund, warum diese Art des Kühlens noch nicht flächendeckend eingesetzt wird, ist, dass Materialien mit hoher Kühlleistung bisher häufig unter irreversiblen Energieverlusten litten. Dieser als Hysterese bekannte Effekt führt unter Betriebsbedingungen dazu, dass die Kühlleistung schnell abnimmt. Umgekehrt erreichten die herkömmlichen, langlebigen Materialien nicht die für praktische Anwendungen erforderliche hohe Kühlleistung.
Nun gelang Forschenden eines internationalen Konsortiums, darunter das Nims in Japan, die TU Darmstadt und weitere renommierte Institute, der entscheidende Durchbruch mit einem neuen Ansatz im Materialdesign. Durch die gezielte Feinabstimmung der (kovalenten) Atombindungen mittels einer präzisen Kontrolle der chemischen Zusammensetzung konnten die Forschenden irreversible Energieverluste minimieren. In ihrer Studie konzentrierten sie 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.
Das Konsortium fand heraus, dass die Leistungsminderung dieses Materials auf strukturelle Übergänge während der magnetischen Übergänge zurückzuführen ist. In Gd5Ge4 tragen die sich ändernden Bindungslängen zwischen Germaniumatomen, welche atomare Schichten in der Kristallstruktur miteinander verbinden, zur Hysterese und zur Leistungsabnahme bei wiederholten Zyklen bei.
Molekulare Stoßdämpfer
Um das Problem zu beheben, ersetzten die Forschenden einen Teil des Germaniums durch Zinnatome (Sn), um die kovalente Bindung des Materials gezielt einzustellen. Dies stabilisiert den Abstand zwischen den Kristallstrukturschichten während der Zustandsänderungen, wodurch die atomaren Verschiebungen, die zuvor zur Degradation geführt hatten, wirksam gedämpft werden. Das zeigt sich darin, dass das Material seine Kühlleistung nun über wiederholte Zyklen hinweg beibehält und gleichzeitig mehr als eine Verdopplung der reversiblen adiabatischen Temperaturänderung (Temperaturänderung ohne externen Wärmeaustausch) von 3,8 °C auf 8 °C erreicht.
Die Modifikation mit den Zinn-Atomen verbessert sowohl den magnetokalorischen Effekt als auch die Gesamtbeständigkeit des Materials. Die effiziente Arbeitsweise dieser Materialien bei tiefen Temperaturen im Bereich von etwa -233 °C bis -113 °C macht sie zu einer guten Wahl, um Gase wie Wasserstoff, Stickstoff und Erdgas zu verflüssigen. 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.
