Senare under detta århundrade, runt 2060, ett paradigmskifte i den globala energiförbrukningen förväntas:vi kommer att spendera mer energi för kylning än för uppvärmning. Under tiden, den ökande penetrationen av kylapplikationer i våra dagliga liv orsakar ett snabbt växande ekologiskt fotavtryck. Nya kylprocesser som magnetisk kylning kan begränsa den resulterande påverkan på klimatet och miljön. Forskare vid Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) och Technische Universität Darmstadt har tittat närmare på dagens mest lovande material. Resultatet av deras arbete är det första systematiska magnetokaloriska materialbiblioteket med all relevant egendomsdata, som de har publicerat nu i tidningen Avancerade energimaterial .

Konstgjord kylning med konventionell gaskomprimering har funnits i kommersiella hushållsapplikationer i cirka hundra år. Dock, tekniken har knappt förändrats under denna tid. Experter uppskattar att cirka en miljard kylskåp baserade på denna teknik används världen över idag, i ständigt växande antal. "Kylteknik betraktas nu som den största strömkonsumenten i våra egna fyra väggar. Potentialen för miljöföroreningar som orsakas av typiska kylvätskor är lika problematisk, "Dr Tino Gottschall från Dresden High Magnetic Field Laboratory i HZDR beskriver motivationen för hans forskning.

"Magnetokalorisk effekt, "som kan bli hjärtat för framtida kylteknik, är en process där vissa element och legeringar plötsligt ändrar sin temperatur när de utsätts för ett magnetfält. Det finns en hel serie sådana magnetokaloriska ämnen som redan är kända från forskning. "Men om de är lämpliga för hushålls- och industriella tillämpningar i stor skala - det här är en helt annan fråga, "tillägger professor Oliver Gutfleisch från Institute of Materials Science vid Technische Universität Darmstadt.

Ämnesdatabas för kylmaterial

Forskarna samlade in data om substansegenskaper för att klargöra dessa frågor. Dock, de stötte snabbt på svårigheter. "Vi blev särskilt förvånade över att endast några få resultat från direkta mätningar kan hittas i specialistlitteraturen, "rapporterar Gottschall." I de flesta fall, dessa parametrar härleddes indirekt från de observerade magnetiseringsdata. Vi fann att varken mätförhållandena, såsom styrkan och profilen för det applicerade magnetfältet, inte heller mätreglerna, är jämförbara. Följaktligen, resultaten matchar inte. "

För att skingra inkonsekvenserna i de tidigare publicerade materialparametrarna, forskarna utarbetade ett genomarbetat mätprogram, som täcker hela spektrumet av de för närvarande mest lovande magnetokaloriska materialen och deras relevanta materialegenskaper. Genom att koppla högprecisionsmätningar till termodynamiska överväganden, forskarna från Darmstadt och Dresden kunde generera konsekventa materialuppsättningar. Forskarna presenterar nu denna solida databas som kan underlätta valet av lämpliga material för olika magnetiska kylapplikationer.

Vilka material kan ta på gadolinium?

Ett materials lämplighet för magnetiska kyländamål bestäms slutligen av olika parametrar. Det kräver rätt kombination av materialegenskaper för att konkurrera med väletablerad kylteknik. För att beskriva de viktigaste egenskaperna för morgondagens kylmaterial, Gottschall säger:"Temperaturförändringen som uppnås vid rumstemperatur bör vara stor, och så mycket värme som möjligt bör släppas ut samtidigt. "

För att ange framtida massapplikationer, dessa ämnen får inte ha skadliga egenskaper, både när det gäller miljö och hälsa. "Dessutom, de bör inte bestå av råvaror som klassificeras som kritiska på grund av leveransrisker och svåra när det gäller ersättning i tekniska tillämpningar, "förklarar Gutfleisch." I den samlade bedömningen av tekniska processer, denna aspekt försummas ofta. Enbart fokus på fysiska egenskaper är inte längre tillräckligt idag. I det här avseendet, magnetisk kylning är också ett utmärkt exempel på de grundläggande utmaningarna som följer med den nuvarande energiomställningen, som inte kommer att vara möjligt utan hållbar tillgång till lämpliga material. "

Vid omgivningstemperatur, den främsta magnetokaloriska standarden är fortfarande tillverkad av gadolinium. Om elementet av sällsynta jordartsmetaller förs in i ett magnetfält på 1 Tesla, forskarna mäter en temperaturförändring på nästan 3 grader Celsius. Med tanke på den framtida magnetiska kylanordningens ekonomiska lönsamhet, generationen av sådana fältstyrkor kommer sannolikt att förlita sig på kommersiella permanentmagneter.

Lämpliga material:En blick in i framtiden

Trots dess enastående egenskaper, utsikterna att använda gadolinium i hushålls kylanordningar är ganska orealistiska. Elementet är en av de sällsynta jordartsmetaller som klassificeras som kritiska när det gäller en säker, långsiktig leverans. Med en lika design, värmeväxlare gjorda av järn-rodiumlegeringar kan sprida ännu större mängder värme per kylcykel. Ändå, platinagruppen metall rhodium finns också på listan över råvaror som pekats ut av Europeiska kommissionen på grund av hög kritik.

Forskarna har dock hittat kandidatmaterial som är lättillgängligt inom en snar framtid och, på samma gång, med en lovande prestation. Intermetalliska föreningar bestående av elementen lantan, järn, mangan och kisel, till exempel, där väte lagras i kristallgitteret, kan till och med överträffa gadolinium när det gäller värme som kan överföras från kylskåpet.

Andra kan följa efter:Forskare vid HZDR och TU Darmstadt arbetar hårt med att utöka sortimentet av magnetiska kylmaterial. I nära samarbete, forskare från båda institutionerna förbereder en ny serie experiment som undersöker egenskaperna hos magnetokaloriska ämnen. Vid Dresden High Magnetic Field Laboratory till exempel, de är inställda på att studera hur dessa ämnen beter sig i pulserade högmagnetiska fält. Det bredare fokuset för framtida forskning ligger på ett givet materials reaktion på den samtidiga påverkan av olika stimuli som magnetfält, belastning och temperatur, liksom byggandet av effektiva demonstranter.