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Umweltfreundliche Kühlschränke
Moderne Kühler und Kühlschränke verursachen möglicherweise keine Löcher in der Ozonschicht wie ihre Gegenstücke vor 1994, aber sie verwenden immer noch Treibhausgase, die den Planeten erwärmen. Auch ihre Kompressoren verbrauchen viel Energie: Klimaanlagen und Kühlschränke verbrauchten 2005 rund 340 Milliarden Kilowattstunden – fast 30 Prozent des gesamten Energieverbrauchs in US-Haushalten.
Cooles Werkzeug: Diese Vorversion eines energieeffizienten Magnetkühlschranks zeigt einen ringförmigen 1,2-Tesla-Magneten. Der Magnet kann einen beweglichen Zylinder umfassen, der Materialien enthält, die sich bei Vorhandensein eines magnetischen Feldes erwärmen und sich abkühlen, wenn das Feld weggenommen wird. Beim Abkühlen nimmt das Material Wärme aus seiner Umgebung auf.
Forscher des Risoe National Laboratory in Roskilde, Dänemark, sind nun dem Bau eines magnetischen Kühlsystems, das energieeffiziente, umweltfreundliche und absolut geräuschlose Kühlschränke verspricht, einen Schritt näher gekommen. Die Temperaturen in herkömmlichen Kühlschränken schwanken zwischen -20 und 20 °C. Das Erreichen dieser Temperaturspanne von 40 °C ist eine der größten Herausforderungen bei der magnetischen Kühlung. Die dänischen Forscher haben einen Kühlschrank gebaut, der die Temperatur um fast 9 °C variieren kann.
Dies ist ein wichtiger Schritt in Richtung praktischer Temperaturspannen von 40 °C, sagt Nini Pryds , ein leitender Wissenschaftler bei Risoe, der die Arbeit leitet. Das Forschungsteam arbeitet jetzt mit Danfoss , einer der größten Kompressorhersteller der Welt, um einen kommerziellen Prototyp zu bauen; Das Unternehmen sagt, dass es bis 2010 fertig sein soll.
Die Magnetkühltechnologie nutzt Materialien, die sich erwärmen, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt werden, und abkühlen, wenn das Magnetfeld entfernt wird. Beim Abkühlen entzieht das Material seiner Umgebung Wärme. Je größer der Unterschied zwischen der wärmsten und kältesten Temperatur unter Einfluss eines Magnetfeldes ist, desto besser kühlt das Material.
Magnetische Kühler werden seit Jahren in Labors für kryogene Temperaturen von mehreren zehn Grad unter Null verwendet. 1995 demonstrierte das Ames Laboratory in Iowa den ersten magnetischen Kühlschrank, der den Inhalt bei Raumtemperatur kühlte. Das Unternehmen verwendete das Metall Gadolinium.
Seitdem haben Forscher viele andere Materialien gefunden, die bei Raumtemperatur funktionieren. Das Problem ist, dass die Temperaturschwankungen bei all diesen Stoffen nur wenige Grad betragen. Mit einem supraleitenden Magneten ist es einfach, eine große Temperaturänderung zu erreichen, sagt Pryds. Aber supraleitende Magnete sind groß und müssen selbst gekühlt werden, was sie für alltägliche Geräte wie Haushaltskühlschränke und Klimaanlagen unpraktisch macht. Für diese Anwendungen, sagt er, gehe nur ein Permanentmagnet. Idealerweise sollte es ein kleiner, billiger Magnet mit einem Feld von weniger als einem Tesla sein.
Um große Temperaturspannen mit einem Permanentmagneten zu erreichen, bedarf es einiger cleverer Technik. Typischerweise bedeutet dies die Verwendung von Kühlflüssigkeiten wie Wasser. Das von Wasser umspülte Material wird abwechselnd in und aus einem Magnetfeld gebracht. Wenn es auf dem Feld ist, erwärmt es sich. Das zirkulierende Wasser entzieht dem Material Wärme und gibt sie an einen Kühlkörper ab. Dann wird das Magnetfeld weggenommen und das Material, das bereits durch das Wasser gekühlt wurde, kühlt noch weiter ab. Beim Abkühlen nimmt es Wärme aus dem Wasser auf, wodurch es kalt genug wird, um als Kühlschrank verwendet zu werden. Dieser Heiß-Kalt-Zyklus wird immer wieder wiederholt.
Die verschiedenen Teile – Material, Magnete, Flüssigkeitskühlung – zusammen in einen praktischen Magnetkühlschrank zu packen, ist mühsam. Forscher müssen ein System entwickeln, das eine Temperaturänderung von mindestens 40 °C und genügend Kühlleistung erreicht – Kühlschränke haben derzeit eine Leistung von bis zu 150 Watt – unter Verwendung eines Permanentmagneten mit einem Magnetfeld von weniger als einem Tesla. Das erfordert ein feines Gleichgewicht zwischen den Parametern des Systems. Wenn Forscher beispielsweise die Temperaturspanne erweitern, kann die Kühlleistung sinken oder das System kann mehr Energie benötigen. Es ist ein technischer Albtraum, sagt der Forscher von Ames Laboratory Karl Gschneidner , einem Pionier der magnetischen Kühlung.
Aber die Belohnungen werden reichlich sein. Magnetische Kühlschränke werden viel energieeffizienter sein als herkömmliche Kühlschränke, da sie nur Energie zum Umwälzen des Wassers benötigen. Der Energieverbrauch magnetischer Kühlschränke [sollte] bis zu 60 Prozent niedriger sein als bei herkömmlichen Kühlschränken, sagt Pryds. Außerdem benötigen Magnetsysteme im Gegensatz zu herkömmlichen Kühlschränken keine Kältemittel wie Fluorkohlenwasserstoffe, die starke Treibhausgase sind.
Pryds ist zuversichtlich, dass die Arbeit seiner Gruppe zu kommerziellen Magnetkühlschränken führen wird. Wie andere Forschungsteams verwendet die Risoe-Gruppe das wassergekühlte Design. Aber während die meisten Forschungsteams Gadoliniumpulver verwenden, verwenden die dänischen Forscher Platten aus einem keramischen Material, das Lanthan, Strontium, Kalzium und Mangan enthält. Pryds sagt, dass Keramik chemisch stabil ist; sie korrodieren nicht in korrodierenden Flüssigkeiten wie Wasser. Die Keramikplatten sollen auch im Großmaßstab einfacher herstellbar sein. Die Kombination aus keramischem Material und dem endgültigen Kühlschrankdesign der Forscher, das noch nicht öffentlich ist, könnte zu einem praktischen Erfolg führen, sagt er.
Die Forscher sehen sich jedoch einigen harten Konkurrenten gegenüber. Forscher des Ames Laboratory haben in Zusammenarbeit mit der in Milwaukee ansässigen Aeronautics Corporation of America Systeme mit Temperaturspannen von 25 °C und 95 Watt Kühlleistung unter Verwendung von 1,5-Tesla-Magneten hergestellt. Andrew Rowe und seine Kollegen von der University of Victoria in Kanada haben 15-Watt-Kühlsysteme mit Temperaturspannen von 30 °C hergestellt. Inzwischen sind Forscher von Chubu Electric Power und Toshiba in Japan auf etwa 0,8 Tesla gesunken, um eine Spanne von 10 °C zu erreichen.
Es gehe bergauf, sagt Gschneidner, in weiteren 5 bis 10 Jahren sollen Magnetkühlschränke auf den Markt kommen. Viele Forschungsgruppen arbeiten jetzt an magnetischen Kühlschränken, stellen bessere Materialien her und entwickeln bessere Systemdesigns. Außerdem, fügt Rowe hinzu, werden Permanentmagnete immer kleiner und billiger. Die Grundprinzipien seien gezeigt und demonstriert worden, sagt er. Magnetische Kühlung funktioniert. Jetzt brauchen wir ein wenig hartes Denken [und] gute Designs, und hoffentlich werden diese Dinge zusammenkommen.