Valgfri kølevæske i morgen

Senere i løbet af dette århundrede, omkring 2060, der forventes et paradigmeskift i det globale energiforbrug:vi vil bruge mere energi til køling end til opvarmning. I mellemtiden, den stigende indtrængen af ​​køleapplikationer i vores daglige liv forårsager et hurtigt voksende økologisk fodaftryk. Nye køleprocesser såsom magnetisk køling kan begrænse den deraf følgende påvirkning af klimaet og miljøet. Forskere ved Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) og Technische Universität Darmstadt har set nærmere på nutidens mest lovende materialer. Resultatet af deres arbejde er det første systematiske magnetokaloriske materialebibliotek med alle relevante egenskabsdata, som de nu har offentliggjort i tidsskriftet Avancerede energimaterialer .

Kunstig køling ved hjælp af konventionel gaskomprimering har eksisteret i kommercielle husholdningsapplikationer i omkring hundrede år. Imidlertid, teknologien har næsten ikke ændret sig i denne tid. Eksperter anslår, at omkring en milliard køleskabe baseret på denne teknologi er i verdensomspændende brug i dag, i stadigt voksende antal. "Køleteknologi betragtes nu som den største strømforbruger i vores egne fire vægge. Potentialet for miljøforurening forårsaget af typiske kølemidler er lige så problematisk, " Dr. Tino Gottschall fra Dresden High Magnetic Field Laboratory i HZDR beskriver motivationen for hans forskning.

Den "magnetokaloriske effekt, "som kan blive hjertet i fremtidige køleteknologier, er en proces, hvor visse grundstoffer og legeringer pludselig ændrer deres temperatur, når de udsættes for et magnetfelt. Der er allerede en hel række af sådanne magnetokaloriske stoffer kendt fra forskning. "Men om de er egnede til husholdnings- og industrielle anvendelser i stor skala - det er et helt andet spørgsmål, " tilføjer prof. Oliver Gutfleisch fra Institute of Materials Science ved Technische Universität Darmstadt.

Stofdatabase for kølematerialer

Forskerne indsamlede data om stofegenskaber for at afklare disse spørgsmål. Imidlertid, de løb hurtigt ind i vanskeligheder. "Vi var især overraskede over, at kun få resultater fra direkte målinger kan findes i faglitteraturen, " rapporterer Gottschall. "I de fleste tilfælde, disse parametre blev indirekte afledt af de observerede magnetiseringsdata. Vi fandt, at hverken målebetingelserne, såsom styrken og profilen af ​​det påførte magnetfelt, heller ikke måleregimerne, er sammenlignelige. Følgelig, resultaterne stemmer ikke overens."

For at fjerne uoverensstemmelser i de tidligere offentliggjorte materialeparametre, forskerne udtænkte et omfattende måleprogram, som dækker hele spektret af de for tiden mest lovende magnetokaloriske materialer og deres relevante materialeegenskaber. Ved at koble højpræcisionsmålinger med termodynamiske overvejelser, forskerne fra Darmstadt og Dresden var i stand til at generere konsistente materialedatasæt. Forskerne præsenterer nu denne solide database, der kan lette valget af egnede materialer til forskellige magnetiske køle -applikationer.

Hvilke materialer kan tage gadolinium?

Et materiales egnethed til magnetiske køleformål bestemmes i sidste ende af forskellige parametre. Det kræver den rette kombination af materialeegenskaber for at konkurrere med veletablerede køleteknologier. For at beskrive de vigtigste egenskaber for morgendagens kølematerialer, Gottschall udtaler:"Temperaturændringen opnået ved stuetemperatur bør være stor, og så meget varme som muligt skal bortledes på samme tid."

For at indtaste fremtidige masseansøgninger, disse stoffer må ikke have skadelige egenskaber, både med hensyn til miljø og sundhed. "Ud over, de bør ikke bestå af råmaterialer, der er klassificeret som kritiske på grund af forsyningsrisici og vanskelige med hensyn til udskiftning i teknologiske anvendelser, " forklarer Gutfleisch. "I den overordnede vurdering af teknologiske processer, dette aspekt bliver ofte forsømt. Blot fokus på fysiske egenskaber er ikke længere tilstrækkeligt i dag. I denne henseende, magnetisk køling er også et glimrende eksempel på de grundlæggende udfordringer, der følger med den nuværende energiomstilling, hvilket ikke vil være muligt uden bæredygtig adgang til egnede materialer."

Ved omgivelsestemperatur, den primære magnetokaloriske standard er stadig lavet af gadolinium. Hvis elementet sjældne jordarter bringes ind i et magnetfelt på 1 Tesla, forskerne måler en temperaturændring på næsten 3 grader celsius. Holde den økonomiske levedygtighed af fremtidige magnetiske køleenheder i tankerne, genereringen af ​​sådanne feltstyrker vil højst sandsynligt afhænge af kommercielle permanente magneter.

Egnede materialer:Et kig ind i fremtiden

På trods af sine fremragende egenskaber, udsigterne for at bruge gadolinium i husholdningskøleanordninger er ret urealistiske. Grundstoffet er et af de sjældne jordarters metaller, der er klassificeret som kritiske, når det kommer til en sikker, langsigtet udbud. Givet et lige design, varmevekslere lavet af jern-rhodium-legeringer kunne sprede endnu større mængder varme pr. kølecyklus. Alligevel, platingruppen metal rhodium er ligeledes på listen over råvarer udpeget af Europa-Kommissionen på grund af en høj kritikalitet.

Forskerne har dog fundet kandidatmateriale, der er let tilgængelige i den nærmeste fremtid, og på samme tid, med en lovende præstation. Intermetalliske forbindelser bestående af grundstofferne lanthan, jern, mangan og silicium, for eksempel, hvor hydrogen lagres i krystalgitteret, kan endda udkonkurrere gadolinium med hensyn til varme, der kunne overføres ud af køleskabet.

Andre kunne følge trop:Forskere ved HZDR og TU Darmstadt arbejder hårdt på at udvide rækken af ​​magnetiske kølematerialer. I tæt samarbejde, forskere fra begge institutioner forbereder en ny række eksperimenter, der undersøger egenskaberne af magnetokaloriske stoffer. På Dresden High Magnetic Field Laboratory f.eks. de er indstillet til at undersøge, hvordan disse stoffer opfører sig i pulserede høje magnetiske felter. Det bredere fokus for fremtidig forskning ligger på et givet materiales reaktion på den samtidige påvirkning af forskellige stimuli som magnetiske felter, belastning og temperatur, samt konstruktion af effektive demonstratorer.