Een ontdekking uit 1917 wordt levensvatbaar voor de toekomst. Een team van onderzoekers van het Fraunhofer Institute for Physical Measurement Techniques IPM ontwikkelt efficiënte magnetocalorische koelsystemen die het doen zonder schadelijke koelmiddelen. De onderzoekers hopen met hun proces 50 procent van het maximale rendement te halen. Vergelijkbare bestaande magnetocalorische systemen bereiken slechts ongeveer 30 procent.

Veel onderzoeksgroepen over de hele wereld werken aan koelkasten, industriële koelsystemen en airconditioners die warmte pompen met behulp van magnetocalorische materialen. De door magnetisatie gegenereerde verwarmings- en koelcyclus is uitstekend geschikt voor koeling. Natuurkundige Dr. Kilian Bartholome en zijn team op de Fraunhofer IPM in Freiburg, Duitsland, gebruiken deze technologie om een ​​uiterst efficiënt warmtegeleidingsconcept te ontwikkelen dat de noodzaak voor milieubelastende koudemiddelen overbodig maakt.

Er is veel vraag naar innovatieve koeltechnologieën, aangezien de conventionele fluorkoolwaterstoffen (HFK's) die tegenwoordig worden gebruikt, krachtige broeikasgassen zijn. Om deze reden, de EU heeft het gebruik van HFK's aanzienlijk beperkt. Er zijn alternatieven voor HFK's, zoals de natuurlijke koudemiddelen butaan en propaan, die worden gebruikt b.v. in huishoudelijke koelkasten. Deze gassen zijn ontvlambaar, maar niet als gevaarlijk beschouwd in de hoeveelheden die in huishoudelijke koelkasten worden gebruikt. Nog altijd, ze zijn geen haalbare optie voor grotere koelsystemen zoals die in supermarkten worden aangetroffen. De industrie werkt aan alternatieve koudemiddelen, maar moet nog met overtuigende oplossingen komen.

Milieuvriendelijke lanthaan-ijzer-siliciumlegering als magnetocalorisch materiaal

Een magnetocalorisch koelsysteem vereist helemaal geen schadelijke koelmiddelen. De onderzoekers gebruiken een milieuvriendelijke lanthaan-ijzer-siliciumlegering als magnetocalorisch materiaal, die opwarmt wanneer een magnetisch veld wordt aangelegd en afkoelt wanneer het veld wordt verwijderd. Kilian Bartholomé en zijn team hebben een speciale procedure ontwikkeld en gepatenteerd voor het overbrengen van de geproduceerde warmte.

Het koelsysteem van Bartholome maakt gebruik van latente warmte, d.w.z. de energie die een vloeistof nodig heeft om in damp te veranderen. "Omdat water veel energie absorbeert wanneer het van vloeibare naar gasvormige toestand verandert, we gebruiken het verdampingsproces om de warmte over te dragen, " zegt de natuurkundige. "Dit is een zeer efficiënte manier om de thermische energie over te dragen."

Bij de beslissing om het verdampingsproces te gebruiken voor warmtetransport, Kilian Bartholome en zijn collega Jan König lieten zich inspireren door heatpipes die b.v. als leidingcollectoren in zonne-energiesystemen en voor het koelen van computers. Een heatpipe is een geëvacueerde container, waar een kleine hoeveelheid vloeistof is ingesloten. Als een kant van de buis wordt verwarmd, de vloeistof verdampt aan deze verwarmde kant en condenseert weer aan de koude kant. Daarbij worden zeer hoge warmteoverdrachtssnelheden bereikt.

De magnetocalorische warmtepijp die wordt ontwikkeld bij Fraunhofer IPM, echter, is aanzienlijk complexer. Het bestaat uit vele kleine kamers die het magnetocalorische materiaal bevatten. De legering heeft een fijn poreuze structuur waardoor deze optimaal door de waterdamp kan worden gepenetreerd. De methode voor het produceren van de poreuze legering is het werk van Dr. Sandra Wieland en Dr. Martin Dressler van het Fraunhofer Institute for Manufacturing Technology and Advanced Materials IFAM.

Nieuw wereldrecord voor magnetocalorische koelsystemen

Om de efficiëntie nog verder te verhogen, Bartholomé schikt de segmenten van de heatpipe in een cirkelvormig patroon en plaatst een roterende magneet in het midden. De verwachting is dat de demonstrator tegen het einde van het jaar 300 watt vermogen zal genereren. Ter vergelijking:de compressor in een huishoudelijke koelkast heeft een vermogen van 50 tot 100 watt. Het huidige systeem werkt al op een zeer hoge frequentie. De onderzoekers in Freiburg zijn van plan om met de demonstrator een wereldrecord te breken voor magnetocalorische koelsystemen wat betreft systeemfrequentie. Het doel op lange termijn is om 50 procent van het theoretisch maximale rendement te halen. Vergelijkbare bestaande systemen bereiken ongeveer 30 procent.

Spelers uit de industrie tonen al grote interesse in het onderzoek, bijvoorbeeld Philipp Kirsch GmbH, die speciale koelkasten maakt voor medische laboratoria, apotheken en ziekenhuizen. Het van oudsher gevestigde Duitse bedrijf werkt samen met Fraunhofer IPM in een project dat wordt gesponsord door het Duitse Federale Ministerie van Economie en Technologie (BMWi). "We willen een minus-86-graden-eenheid op de markt brengen op basis van magnetocalorica, ", zegt CEO Jochen Kopitzke. "Magnetocalorica heeft een zeer groot disruptief potentieel en zou in staat kunnen zijn om op middellange termijn koeling op basis van compressoren te vervangen. We zien hier een duidelijk ontwikkelende markt die we kunnen aanboren."

Magnetocalorica—De lange weg naar toepassing

Magnetisatie kan worden gebruikt om magnetocalorische materialen te verwarmen, echter alleen binnen een smal temperatuurbereik dat specifiek is voor elk materiaal. Wanneer bij deze temperaturen een magnetisch veld wordt aangelegd, de magnetische momenten oriënteren zich in de richting van het magnetische veld. Dit genereert thermische energie, verwarming van het materiaal.

IJzer vertoont het magnetocalorische effect bij ongeveer 750 ° C, en nikkel bij ongeveer 360° C. Er is maar één element dat met magnetocalorica bij kamertemperatuur kan worden verwarmd:gadolinium, een zeer zeldzaam en daarom extreem duur metaal.

Pas eind jaren negentig werden legeringen ontwikkeld die magnetocalorisch zijn bij kamertemperatuur en die op industriële schaal kosteneffectief kunnen worden geproduceerd. Een daarvan is de lanthaan-ijzer-siliciumlegering die wordt gebruikt door de werkgroep van Fraunhofer IPM.