Die Zukunft von umweltfreundlicher Kühlung

Forschende eines internationalen Konsortiums, dem unter anderem das japanische NIMS und die TU Darmstadt angehören, haben einen wegweisenden Ansatz für nachhaltige Kühlverfahren entwickelt. Da herkömmliche Klimaanlagen und Kühlschränke meist auf dem Dampfkompressionszyklus basieren und klimaschädliche Kältemittel nutzen, stellt die magnetische Kühlung eine umweltfreundliche Alternative dar. Diese nutzt den magnetokalorischen Effekt (MCE), bei dem spezielle Materialien ihre Temperatur durch die Einwirkung eines Magnetfeldes verändern. Bisher scheiterte die praktische Umsetzung an einem grundlegenden Dilemma: Materialien mit hoher Kühlleistung verloren durch Hysterese – also irreversible Energieverluste – schnell an Effektivität, während langlebige Alternativen nicht die erforderliche Leistung für den Alltagseinsatz erbrachten.

Präzisions-Materialdesign für effiziente magnetische Kühlung

Der entscheidende Durchbruch gelang dem Forschungsteam durch einen neuartigen Ansatz im Materialdesign, bei dem irreversible Energieverluste durch die gezielte Feinabstimmung kovalanter Atombindungen minimiert wurden. Die Studie konzentrierte sich auf die Verbindung Gd₅Ge₄​ aus Gadolinium und Germanium, ein magnetisches Kühlmaterial, das sich erwärmt, sobald ein äußeres Magnetfeld die magnetischen Spins der Atome ausrichtet.

Dabei stellten die Forschenden fest, dass die Leistungsminderung des Materials auf strukturelle Übergänge während der magnetischen Phasenwechsel zurückzuführen ist. In Gd5​Ge4​ führen veränderliche Bindungslängen zwischen den Germaniumatomen, welche die atomaren Schichten der Kristallstruktur verbinden, zu Hysterese und einem Leistungsabfall bei wiederholten Zyklen. Um dieses Problem zu lösen, ersetzte das Team einen Teil des Germaniums durch Zinnatome (Sn), wodurch die kovalente Bindung gezielt eingestellt und der Abstand zwischen den Schichten während der Zustandsänderungen stabilisiert wird. Diese chemische Modifikation dämpft die atomaren Verschiebungen wirksam, die zuvor für die Degradation des Materials verantwortlich waren.

Ergebnisse und zukünftige Auswirkungen

Die gezielte Materialanpassung markiert einen bedeutenden Fortschritt in der Magnetokalorik, da sie die thermische Stabilität über wiederholte Zyklen hinweg sichert und die reversible adiabatische Temperaturänderung von 3,8 Grad auf beachtliche 8 Grad mehr als verdoppelt. Dieser Durchbruch steigert nicht nur die Effizienz des magnetokalorischen Effekts, sondern verbessert auch die Langlebigkeit des Materials entscheidend.

Durch ihre Leistungsfähigkeit in extremen Tieftemperaturbereichen zwischen –233 °C und –113 °C eignen sich diese Werkzeuge hervorragend für die Verflüssigung von Gasen wie Wasserstoff, Stickstoff oder Erdgas und fungieren somit als Schlüsselkomponente für nachhaltige Kühltechnologien. Um dieses Potenzial voll auszuschöpfen, plant das Forschungskonsortium bereits, die Methodik auf weitere Verbindungsklassen zu übertragen.

Diese Ergebnisse sind das Resultat einer intensiven internationalen Kooperation zwischen namhaften japanischen Institutionen – dem National Institute for Materials Science (NIMS), dem Kyoto Institute of Technology (KIT), dem Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI) sowie den Universitäten Hyogo und Tohoku – und der Technischen Universität Darmstadt in Deutschland.

Quelle

Technische Universität Darmstadt (02/2026)