Grüne Kühlschränke

Moderne Kühlschränke sorgen zwar nicht mehr für Löcher in der Ozonschicht wie ihre Vorgänger aus älterer Zeit – doch klimaschädliche Gase enthalten sie noch immer. Ihre Kompressoren verbrauchen zudem jede Menge Energie – allein in den USA fraßen Klimaanlagen und Kühlschränke 2005 zusammen 340 Milliarden Kilowattstunden, was 30 Prozent des gesamten häuslichen Stromverbrauchs der USA ausmachte.

Forscher am Risö-Nationallabor im dänischen Roskilde wollen nun gegensteuern – sie arbeiten an einem Kühlsystem auf Basis magnetischer Effekte, das energieeffizient, umweltfreundlich und geräuschlos sein soll. Die Temperaturen in konventionellen Geräten pendeln zwischen minus 20 und plus 20 Grad. Diese Temperaturspanne ließ sich mit Magnetkühlung bislang allerdings noch nicht erreichen. Die Dänen erzielen in ihrem Experimentalaufbau aber immerhin schon eine Bandbreite von 8 Grad.

Dies sei ein bereits ein wichtiger Schritt in die richtige Richtung, erläutert Nini Pryds, Forschungsleiter beim dem Projekt. Sein Team arbeitet inzwischen mit dem großen Kompressorhersteller Danfoss zusammen, um einen kommerziellen Prototypen zu bauen – bis 2010 könnte er fertig sein.

Die Magnetkühlung nutzt Materialien, die sich erhitzen, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt werden – und sich wieder abkühlen, wenn es abgeschaltet wird. Während der Abkühlung zieht das Material dann Hitze aus seiner Umgebung ab. Je größer der Unterschied zwischen der heißesten und der kältesten erreichbaren Temperatur unter Einfluss des Magnetfeldes ist, desto besser kühlt das Material.

Magnetische Kühlelemente werden seit Jahren in Labors eingesetzt – im Bereich kryogener Temperaturen. 1995 demonstrierte das Ames Laboratory im US-Bundesstaat Iowa den ersten Magnetkühlungs-Kühlschrank, der seinen Inhalt bei Raumtemperatur kühlen konnte. Dabei kam das Metall Gadolinium zum Einsatz.

Seither hat die Wissenschaft diverse weitere Materialien erforscht, die bei Raumtemperatur arbeiten. Das Problem dabei ist, dass sich die Temperatur dabei nur um einige Grad bewegt. "Um eine große Temperaturveränderung zu erzielen, braucht man eigentlich einen Supraleiter-Magneten", sagt Pryds. Doch die sind erstens groß und brauchen zweitens selbst eine Kühlung, so dass sie sich in Haushaltsgeräten wie Kühlschränken oder Klimaanlagen kaum einsetzen lassen. "Für diese Anwendung ist nur ein Dauermagnet praktikabel", meint Pryds. Idealerweise wäre dieser klein, billig und hätte eine Magnetfeld von weniger als einem Tesla.

Aus einem Dauermagneten derartige Temperaturbandbreiten herauszuholen, ist jedoch eine ingenieurtechnische Herausforderung. Typischerweise braucht man Kühlflüssigkeiten wie Wasser. Das Material, um das das Wasser zirkuliert, wird innerhalb und außerhalb des Magnetfeldes platziert. Ist es im Feld, erhitzt es sich. Das zirkulierende Wasser zieht dann noch mehr Wärme aus dem Material und transferiert sie zu einem Kühlkörper. Dann wird das Magnetfeld wieder abgebaut – und das Material, das bereits vom Wasser abgekühlt wurde, kühlt sich noch weiter ab. Mit der Kühlung wird wiederum Hitze aus dem Wasser absorbiert und es wird kalt genug im Kühlschrank. Der Hitze-Kälte-Zyklus wiederholt sich dann erneut (und ständig).

Leicht ist es nicht, diese verschiedenen Teile in einen praktisch nutzbaren Magnetkühlungs-Kühlschrank zu stecken. Es muss ein System her, das 40 Grad Temperaturunterschied erreicht und genügend Kühlleistung besitzt – traditionelle Geräte laufen mit bis zu 150 Watt. Das alles muss mit einem Dauermagneten und einem Magnetfeld von weniger als einem Tesla funktionieren. Dafür muss man die Systemparameter genau ausbalancieren. Wird die Temperaturspanne erhöht, könnte die Kühlkraft wieder nachlassen oder das System mehr Energie verbrauchen: "Das ist der Albtraum jedes Ingenieurs", meint Karl Gschneider, Forscher am Ames Laboratory, der zu den Pionier auf dem Gebiet zählt.

Doch die Vorteile sind enorm. Magnetkühlungs-Kühlschränke wären wesentlich energieeffizienter als herkömmliche Modelle, weil sie Strom nur brauchen, um das Wasser zirkulieren zu lassen. "Der Energieverbrauch würde bis zu 60 Prozent unter dem heutiger Geräte liegen", meint Pryds. Außerdem werden keine Kältemittel wie Fluorkohlenwasserstoffe mehr benötigt, die ein großes klimaschädliches Potenzial haben.

Pryds ist optimistisch, dass die Arbeit seiner Gruppe zu kommerziellen Produkten führen wird. Wie andere Forschungsteams auch wird er die Wasserkühlung verwenden. Doch während anderswo ein Gadolinium-Pulver verwendet wird, setzen die Dänen auf Platten aus einem keramischen Material, das Lanthan, Strontium, Kalzium und Mangan enthält. "Keramik ist chemisch stabil. Sie rostet nicht in korrodierenden Flüssigkeiten wie Wasser", sagt Pryds. Die Keramikplatten sollen sich außerdem leichter in Massenproduktion herstellen lassen. Die Kombination aus diesem Material und dem endgültigen Kühlschrankdesign, das derzeit noch nicht veröffentlich ist, könnte zu ersten praktischen Erfolgen führen.

Die Forscher haben allerdings starke Wettbewerber. Am Ames Laboratory arbeitet man mit der Aeronautics Corporation of America zusammen, die mit 1,5 Tesla-Magneten Kühlbereiche von 25 Grad bei 90 Watt Leistung erzielen will. Andrew Rowe und seine Kollegen von der University of Victoria in Kanada haben 15-Watt-Systeme mit 30 Grad Temperaturbandbreite gezeigt. Bei Chubu Electric und Toshiba in Japan arbeitet man derweil an einem 0,8 Tesla-Magneten mit einer Kapazität von 10 Grad.

Der ganze Forschungsbereich ist sehr aktiv. Pionier Gschneider ist optimistisch, dass Magnetkühlungs-Kühlschränke in 5 bis 10 Jahren auf dem Markt sein werden. Neben den vielen Forschern, die an dem Thema arbeiten, helfen neue Materialien und bessere Systemaufbauten. Dauermagneten werden zudem kleiner und billiger. "Das Grundprinzip wurde längst gezeigt", meint Rowe. "Magnetkühlung funktioniert. Nun müssen wir uns nur anstrengen und ein gutes Design finden. Hoffentlich kommt dann alles zusammen." (bsc)