En upptäckt från 1917 blir livskraftig för framtiden. Ett team av forskare vid Fraunhofer Institute for Physical Measurement Techniques IPM utvecklar effektiva magnetokaloriska kylsystem som klarar sig utan skadliga köldmedier. Forskarna hoppas kunna uppnå 50 procent av den maximala effektivitetsnivån med sin process. Jämförbara befintliga magnetokaloriska system når endast cirka 30 procent.

Många forskargrupper runt om i världen arbetar med kylskåp, industriella kylsystem och luftkonditioneringsapparater som pumpar värme med hjälp av magnetokaloriska material. Uppvärmnings- och kylcykeln som genereras av magnetisering är utmärkt lämpad för kylning. Fysikern Dr Kilian Bartholomé och hans team vid Fraunhofer IPM i Freiburg, Tyskland, använder denna teknik för att utveckla ett extremt effektivt termisk konduktivitetskoncept som eliminerar behovet av miljöskadliga köldmedier.

Det finns stor efterfrågan på innovativ kylteknik, eftersom de konventionella fluorkolvätena (HFC) som används idag är kraftfulla växthusgaser. Av denna anledning, EU har avsevärt begränsat användningen av HFC. Det finns alternativ till HFC, såsom de naturliga kylmedlen butan och propan, som används t.ex. i hushållskylskåp. Dessa gaser är brandfarliga, men inte anses vara farlig i de mängder som används i hushållskylskåp. Fortfarande, de är inte ett gångbart alternativ för större kylsystem som de som finns i stormarknader. Branschen arbetar på alternativa köldmedier men har ännu inte kommit med övertygande lösningar.

Miljövänlig lantan-järn-kisellegering som magnetokaloriskt material

Ett magnetokaloriskt kylsystem kräver inga som helst skadliga köldmedier. Forskarna använder en miljövänlig lantan-järn-kisellegering som ett magnetokaloriskt material, som värms upp när ett magnetfält appliceras och kyls ner när fältet tas bort. Kilian Bartholomé och hans team har utvecklat och patenterat en speciell procedur för att överföra den producerade värmen.

Bartholomés kylsystem använder latent värme, dvs den energi som krävs av en vätska för att omvandlas till ånga. "Eftersom vatten absorberar mycket energi när det övergår från ett flytande till ett gasformigt tillstånd, vi använder förångningsprocessen för att överföra värmen, " säger fysikern. "Detta är ett mycket effektivt sätt att överföra den termiska energin."

När man beslutade sig för att använda förångningsprocessen för värmetransport, Kilian Bartholomé och hans kollega Jan König inspirerades av värmepipor som användes t.ex. som rörsamlare i solenergisystem och för kylning av datorer. Ett värmerör är en evakuerad behållare, där en liten mängd vätska har inneslutits. Om ena sidan av röret är uppvärmd, vätskan avdunstar på denna uppvärmda sida och kondenserar igen på den kalla sidan. Mycket höga värmeöverföringshastigheter uppnås i processen.

Det magnetokaloriska värmeröret som utvecklas vid Fraunhofer IPM, dock, är betydligt mer komplex. Den består av många små kammare som innehåller det magnetokaloriska materialet. Legeringen har en finporös struktur så att den optimalt kan penetreras av vattenångan. Metoden för att producera den porösa legeringen är ett arbete av Dr. Sandra Wieland och Dr. Martin Dressler vid Fraunhofer Institute for Manufacturing Technology and Advanced Materials IFAM.

Nytt världsrekord för magnetokaloriska kylsystem

För att ytterligare öka effektiviteten, Bartholomé arrangerar värmerörets segment i ett cirkulärt mönster och placerar en roterande magnet i mitten. Det förväntas att demonstratorn kommer att generera 300 watt effekt när den är klar i slutet av året. Som jämförelse:Kompressorn i ett hushållskylskåp producerar från 50 till 100 watt. Det nuvarande systemet fungerar redan med mycket hög frekvens. Forskarna i Freiburg planerar att använda demonstratorn för att slå ett världsrekord för magnetokaloriska kylsystem med avseende på systemfrekvens. Det långsiktiga målet är att uppnå 50 procent av den teoretiska maximala effektivitetsnivån. Jämförbara befintliga system når cirka 30 procent.

Branschaktörer uttrycker redan stort intresse för forskningen, till exempel Philipp Kirsch GmbH, som tillverkar specialkylskåp för medicinska laboratorier, apotek och sjukhus. Det gamla etablerade tyska företaget arbetar tillsammans med Fraunhofer IPM i ett projekt som sponsras av det tyska federala ekonomi- och teknikministeriet (BMWi). "Vi vill släppa ut en minus-86-graders enhet på marknaden baserad på magnetokalorier, " säger VD Jochen Kopitzke. "Magnetocalorics har en mycket stor störande potential och skulle kunna ersätta kompressorbaserad kylning på medellång sikt. Vi ser här en tydligt växande marknad som vi kan penetrera."

Magnetocalorics – Den långa vägen till tillämpning

Magnetisering kan användas för att värma magnetokaloriska material, dock endast inom ett smalt temperaturintervall som är specifikt för varje material. När ett magnetfält appliceras vid dessa temperaturer, de magnetiska momenten orienterar sig i magnetfältets riktning. Detta genererar termisk energi, värma upp materialet.

Järn uppvisar den magnetokaloriska effekten vid cirka 750°C, och nickel vid cirka 360° C. Det finns bara ett grundämne som kan värmas upp med magnetokalorier vid rumstemperatur:gadolinium, en mycket sällsynt och därför extremt dyr metall.

Det var inte förrän i slutet av 1990-talet som legeringar utvecklades som är magnetokaloriska vid rumstemperatur och som kan tillverkas kostnadseffektivt i industriell skala. En av dessa är lantan-järn-kisellegeringen som används av arbetsgruppen vid Fraunhofer IPM.