Klimakrise – Erderwärmung: In Zukunft umweltfreundlichere Kühlung mit magnetischen Materialien
Herkömmliche Klimaanlagen und Kühlschränke basieren auf dem Dampfkompressionszyklus und nutzen Kältemittel, die erheblich zur globalen Erwärmung beitragen. Die magnetische Kühlung bietet eine effiziente und umweltfreundlichere Alternative.
12.03.2026 – Effiziente Kühlung ist eine wichtige Herausforderung für unsere Gesellschaft. In diesem Kontext muss die Materialwissenschaft einen maßgeblichen Beitrag leisten, fordert das internationale Team am Lehrstuhl/Arbeitsbereich Functional Materials an der TU Darmstadt und betreibt dazu grundlegende und angewandte materialwissenschaftliche Forschung für die Bereiche Energieumwandlung, Mobilität, Kühlung, Medizin und Robotik sowie für die Verflüssigung und Speicherung von Wasserstoff. Im Fokus stehen fortschrittliche nanostrukturierte magnetische Materialien, die über alle Längenskalen hinweg – vom Atom bis zum Bauteil – analysiert und modelliert werden.
Die Transformation hin zu erneuerbaren Energietechnologien sei vor allem ein Materialwandel, sagen die Forschenden. Nachhaltige Materialien wären daher eine Notwendigkeit für ein Netto-Null-Emissions-Energieszenario.
Forschende eines internationalen Konsortiums, darunter das NIMS in Japan, die TU Darmstadt und weitere renommierte Institute, haben nun einen neuen Weg zu nachhaltiger Kühlung eröffnet. Die in Advanced Materials veröffentlichte Studie markiert einen bedeutenden Fortschritt in der Kühltechnologie.
Bislang standen Forschende vor einem grundlegenden Dilemma: Materialien mit hoher Kühlleistung litten häufig unter irreversiblen Energieverlusten, einem als Hysterese bekannten Effekt, der unter Betriebsbedingungen zu einer schnellen Abnahme der Kühlleistung führt. Umgekehrt erreichten die herkömmlichen, langlebigen Materialien nicht die für praktische Anwendungen erforderliche hohe Kühlleistung.
Neuer Ansatz im Matrialdesign
Der entscheidende Durchbruch gelang dem Forschungsteam durch einen neuartigen Ansatz im Materialdesign. Durch die gezielte Feinabstimmung der (kovalenten) Atombindungen mittels einer präzisen Kontrolle der chemischen Zusammensetzung konnten irreversible Energieverluste minimiert werden. Die Studie konzentrierte sich dabei auf eine Verbindung aus Gadolinium (Gd) und Germanium (Ge): Gd₅Ge₄. Dieses magnetische Kühlmaterial erwärmt sich, wenn ein äußeres Magnetfeld die winzigen magnetischen „Spins“ der Atome ausrichtet.
Die Forschenden stellten fest, dass die Leistungsminderung dieses Materials auf strukturelle Übergänge während der magnetischen Übergänge zurückzuführen ist. In Gd₅Ge₄ tragen sich ändernde Bindungslängen zwischen Germaniumatomen, welche atomare Schichten in der Kristallstruktur miteinander verbinden, zur Hysterese und zur Leistungsabnahme bei wiederholten Zyklen bei.
Zur Lösung dieses Problems ersetzte das Team einen Teil des Germaniums durch Zinnatome (Sn), um die kovalente Bindung des Materials gezielt einzustellen. Diese chemische Modifikation stabilisiert den Abstand zwischen den Kristallstrukturschichten während der Zustandsänderungen, wodurch die atomaren Verschiebungen, die zuvor zur Degradation geführt hatten, wirksam gedämpft werden.
Ergebnisse und zukünftige Auswirkungen
Die Auswirkungen dieser gezielten Anpassung seien tiefgreifend, können die Forscher berichten. Das Material behalte nun seine Kühlleistung über wiederholte Zyklen hinweg bei und erreiche gleichzeitig mehr als eine Verdopplung der reversiblen adiabatischen Temperaturänderung (Temperaturänderung ohne externen Wärmeaustausch) von 3,8 Grad auf 8 Grad.
Dieser Durchbruch verbessert demnach sowohl den magnetokalorischen Effekt als auch die Gesamtbeständigkeit des Materials und ebne damit den Weg für nachhaltige und leistungsstarke magnetische Kältemittel, heißt es in der Studie. Die effiziente Arbeitsweise dieser Materialien bei extrem tiefen Temperaturen im Bereich von ca. -233 °C bis -113 °C mache sie zu einer hervorragenden Wahl für die Verflüssigung von Gasen wie Wasserstoff, Stickstoff und Erdgas. Sie seien somit eine Schlüsselkomponente bei der Entwicklung umweltfreundlicher Gasverflüssigungstechnologien.
In Zukunft plant das Konsortium, diese Methodik auf ein breiteres Spektrum von Verbindungen anzuwenden, um so die Technologie auf verschiedene Bereiche der Kühlung und Gasverflüssigung auszuweiten. na
Die Ergebnisse sind das Produkt einer engen, internationalen wissenschaftlichen Kooperation zwischen dem National Institute for Materials Science (NIMS) und dem Kyoto Institute of Technology (KIT) in Japan, dem Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI), der Universität Hyogo und der Universität Tohoku in Japan und der Technischen Universität Darmstadt in Deutschland.
