Later in deze eeuw, rond 2060, er wordt een paradigmaverschuiving verwacht in het wereldwijde energieverbruik:we zullen meer energie besteden aan koeling dan aan verwarming. In de tussentijd, de toenemende penetratie van koeltoepassingen in ons dagelijks leven zorgt voor een snel groeiende ecologische voetafdruk. Nieuwe koelprocessen zoals magnetische koeling kunnen de resulterende impact op het klimaat en het milieu beperken. Onderzoekers van het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) en de Technische Universität Darmstadt hebben de meest veelbelovende materialen van vandaag onder de loep genomen. Het resultaat van hun werk is de eerste systematische magnetocalorische materiaalbibliotheek met alle relevante eigenschapsgegevens, die ze nu in het tijdschrift hebben gepubliceerd Geavanceerde energiematerialen .

Kunstmatige koeling met behulp van conventionele gascompressie bestaat al ongeveer honderd jaar in commerciële huishoudelijke toepassingen. Echter, de technologie is in deze tijd nauwelijks veranderd. Experts schatten dat er momenteel wereldwijd ongeveer een miljard koelkasten op basis van deze technologie in gebruik zijn, in steeds groeiende aantallen. "Koeltechnologie wordt nu beschouwd als de grootste stroomverbruiker binnen onze eigen vier muren. Het potentieel voor milieuvervuiling veroorzaakt door typische koelmiddelen is net zo problematisch, " Dr. Tino Gottschall van het Dresden High Magnetic Field Laboratory van de HZDR beschrijft de motivatie van zijn onderzoek.

Het "magnetische effect, " die het hart zou kunnen worden van toekomstige koeltechnologieën, is een proces waarbij bepaalde elementen en legeringen plotseling van temperatuur veranderen wanneer ze worden blootgesteld aan een magnetisch veld. Er is al een hele reeks van dergelijke magnetocalorische stoffen bekend uit onderzoek. "Maar of ze geschikt zijn voor huishoudelijke en industriële toepassingen op grote schaal - dat is een heel andere vraag, " voegt prof. Oliver Gutfleisch van het Institute of Materials Science aan de Technische Universität Darmstadt toe.

Stoffendatabase voor koelmaterialen

De wetenschappers verzamelden gegevens over stofeigenschappen om deze problemen op te helderen. Echter, ze kwamen al snel in de problemen. "We waren vooral verrast dat er in de vakliteratuur maar weinig resultaten van directe metingen te vinden zijn, " meldt Gottschall. "In de meeste gevallen deze parameters werden indirect afgeleid van de waargenomen magnetisatiegegevens. We ontdekten dat noch de meetomstandigheden, zoals de sterkte en het profiel van het aangelegde magnetische veld, noch de meetregimes, zijn vergelijkbaar. Bijgevolg, de resultaten komen niet overeen."

Om de inconsistenties in de eerder gepubliceerde materiële parameters te verdrijven, bedachten de wetenschappers een uitgebreid meetprogramma, die het volledige spectrum van de momenteel meest veelbelovende magnetocalorische materialen en hun relevante materiaaleigenschappen bestrijkt. Door zeer nauwkeurige metingen te koppelen aan thermodynamische overwegingen, de onderzoekers uit Darmstadt en Dresden waren in staat om consistente materiële datasets te genereren. De wetenschappers presenteren nu deze solide database die de selectie van geschikte materialen voor verschillende magnetische koeltoepassingen kan vergemakkelijken.

Welke materialen kunnen gadolinium aan?

De geschiktheid van een materiaal voor magnetische koeling wordt uiteindelijk bepaald door verschillende parameters. Het vereist de juiste combinatie van materiaaleigenschappen om te kunnen concurreren met gevestigde koeltechnologieën. Om de belangrijkste eigenschappen voor de koelmaterialen van morgen te beschrijven, Gottschall stelt:"De temperatuurverandering die bij kamertemperatuur wordt bereikt, moet groot zijn, en tegelijkertijd moet zoveel mogelijk warmte worden afgevoerd."

Om toekomstige massatoepassingen in te voeren, deze stoffen mogen geen schadelijke eigenschappen hebben, zowel op het gebied van milieu als gezondheid. "In aanvulling, ze mogen niet bestaan ​​uit grondstoffen die vanwege leveringsrisico's als kritiek worden geclassificeerd en moeilijk te vervangen zijn in technologische toepassingen, " legt Gutfleisch uit. "Bij de algemene beoordeling van technologische processen, dit aspect wordt vaak verwaarloosd. Een loutere focus op fysieke eigenschappen is tegenwoordig niet meer voldoende. In dit opzicht, magnetische koeling is ook een goed voorbeeld van de fundamentele uitdagingen die gepaard gaan met de huidige energietransitie, wat niet mogelijk zal zijn zonder duurzame toegang tot geschikte materialen."

Bij omgevingstemperatuur, de belangrijkste magnetocalorische standaard is nog steeds gemaakt van gadolinium. Als het zeldzame-aarde-element in een magnetisch veld van 1 Tesla wordt gebracht, de wetenschappers meten een temperatuurverandering van bijna 3 graden Celsius. Rekening houdend met de economische levensvatbaarheid van toekomstige magnetische koelapparaten, het genereren van dergelijke veldsterkten zal hoogstwaarschijnlijk afhangen van commerciële permanente magneten.

Geschikte materialen:een blik in de toekomst

Ondanks zijn uitstekende eigenschappen, de vooruitzichten van het gebruik van gadolinium in huishoudelijke koelapparatuur zijn nogal onrealistisch. Het element is een van die zeldzame aardmetalen die als kritiek worden geclassificeerd als het gaat om een ​​veilige, levering op lange termijn. Bij een gelijk ontwerp, warmtewisselaars gemaakt van ijzer-rhodiumlegeringen zouden nog grotere hoeveelheden warmte per koelcyclus kunnen afvoeren. Hoe dan ook, het metaal rhodium uit de platinagroep staat eveneens op de lijst van grondstoffen die door de Europese Commissie zijn uitgekozen vanwege een hoge kriticiteit.

De onderzoekers hebben echter kandidaat-materialen gevonden die in de nabije toekomst direct beschikbaar zijn en, tegelijkertijd, met een veelbelovend optreden. Intermetallische verbindingen bestaande uit de elementen lanthaan, ijzer, mangaan en silicium, bijvoorbeeld, waarin waterstof is opgeslagen in het kristalrooster, kan zelfs beter presteren dan gadolinium in termen van warmte die uit het koelgedeelte kan worden overgedragen.

Anderen zouden kunnen volgen:onderzoekers van de HZDR en TU Darmstadt werken hard aan uitbreiding van het assortiment magnetische koelmaterialen. In nauwe samenwerking, wetenschappers van beide instellingen bereiden een nieuwe reeks experimenten voor waarin de eigenschappen van magnetocalorische stoffen worden onderzocht. In het Dresden High Magnetic Field Laboratory bijvoorbeeld, ze gaan onderzoeken hoe deze stoffen zich gedragen in gepulseerde hoge magnetische velden. De bredere focus van toekomstig onderzoek ligt op de reactie van een bepaald materiaal op de gelijktijdige impact van verschillende stimuli zoals magnetische velden, spanning en temperatuur, evenals de bouw van efficiënte demonstrators.