Können Magnete auch für Kühlung sorgen? Magische Kältetechnik der schwarzen Technik!

Können Magnete auch für Kühlung sorgen? Magische Kältetechnik der schwarzen Technik!

Mit ihrem unscheinbaren Aussehen und einem Herzen, das außen heiß, innen aber kalt ist, ist die Klimaanlage das unbestrittene Herzstück der lebensrettenden Geräte im Sommer.

Wenn Sie stark schwitzen, arbeitet der Kompressor der Klimaanlage weiter und sorgt für ein wenig Abkühlung, erzeugt aber auch ein störendes Summen.

Es gibt jedoch eine Kühltechnologie, die wie „Zauberei“ wirkt und die Temperatur unter einem sich ändernden Magnetfeld leise senken kann. Dies ist magnetische Kühlung.

Die magnetische Kältetechnik ist eine einzigartige und interessante Kühlmethode. Es kann uns effizient und umweltfreundlich Kühleffekte bieten und hat in vielen Bereichen großes Potenzial. Lassen Sie uns heute das Geheimnis der magnetischen Kühlung lüften und sehen, wie sie funktioniert.

(Fotoquelle: Material China)

TEIL 1

Was ist magnetische Kühlung?

Magnetische Kühlung ist eine Kältetechnik, die auf dem magnetokalorischen Effekt basiert. Man kann sich vorstellen, dass ein Stück magnetisches Material unter dem Einfluss eines äußeren Magnetfeldes seine Temperatur ändert und dabei Kälte erzeugt.

Welche Art von Material hat also einen magnetokalorischen Effekt?

Zunächst müssen wir die grundlegenden Eigenschaften magnetischer Materialien verstehen. Aus mikroskopischer Sicht bestehen magnetische Materialien normalerweise aus vielen winzigen magnetischen Partikeln, von denen jedes ein magnetisches Moment in sich trägt, das durch den Spin und den Bahndrehimpuls des Elektrons bestimmt wird. Die Anordnung dieser Teilchen zueinander weist üblicherweise vier Zustände auf, die vier Arten von Magnetismus entsprechen: Ferromagnetismus, Ferrimagnetismus, Paramagnetismus und Antiferromagnetismus.

Klassifizierung magnetischer Materialien durch den Autor

Wenn ein magnetisches Material einem externen Magnetfeld ausgesetzt wird, ordnen sich die magnetischen Momente neu an, um sich an das externe Magnetfeld anzupassen. Dieser Umordnungsprozess wird als magnetische Momentorientierung bezeichnet.

Paramagnetische Materialien sind Materialien, die ein spontanes magnetisches Moment besitzen und deren magnetisches Moment immer entlang der Richtung des angelegten Magnetfelds ausgerichtet ist. Wenn kein äußeres Magnetfeld vorhanden ist, weist es nach außen Paramagnetismus auf; Unter der Einwirkung eines äußeren Magnetfelds werden seine magnetischen Momente in geordneter Weise entlang des äußeren Magnetfelds angeordnet und es weist nach außen Ferromagnetismus auf.

Neben dem äußeren Magnetfeld kann auch die Temperatur das magnetische Moment umordnen. Die meisten magnetischen Materialien sind unterhalb einer bestimmten Temperatur ferromagnetisch oder ferrimagnetisch und oberhalb dieser Temperatur paramagnetisch. Der oben erwähnte Temperaturpunkt ist die Curietemperatur (Tc), auch als magnetischer Übergangspunkt bekannt. Die Curietemperatur bestimmt den Temperaturbereich, in dem das magnetische Material eingesetzt werden kann. Verschiedene magnetische Materialien haben unterschiedliche Curietemperaturen, weshalb die magnetische Kühltechnologie weit verbreitet ist und unterschiedliche Anwendungsbereiche von Raumtemperatur bis zu extrem niedrigen Temperaturen bietet.

Wie entsteht der magnetokalorische Effekt? Welche Beziehung besteht zwischen der Ausrichtung des magnetischen Moments und dem thermischen Effekt? Welche wissenschaftlichen Prinzipien sind darin enthalten? Tatsächlich ist die Anordnung der magnetischen Momente wie unser Zimmer. Wenn wir es nicht regelmäßig aufräumen, wird es immer unordentlicher. In der Physik gibt es eine physikalische Größe namens Entropie, mit der der Grad des Chaos in einem System gemessen wird. Bei einem isolierten System gilt: Je höher der Grad des Chaos, desto höher die Entropie und umgekehrt.

Entropie und Grad des Chaos, Quelle: Qianku.com

Es gibt zwei Hauptarten von Entropie in magnetischen Materialien: magnetische Entropie und thermische Entropie. Magnetische Entropie bezieht sich auf die geordnete Unordnung magnetischer Momente; Die thermische Entropie bezieht sich auf die Schwingungsmodi der Moleküle oder Atome, aus denen Materie besteht. Je mehr und je intensiver die Schwingungsmodi sind, desto größer ist die thermische Entropie. Die Summe dieser beiden Entropien ist die Gesamtentropie des magnetischen Materials. Wenn sich die Gesamtentropie ändert, kann es sich um eine Änderung der magnetischen Entropie oder der thermischen Entropie handeln, oder es können sich beide ändern. und wenn die Gesamtentropie unverändert bleibt, bedeutet dies nicht unbedingt, dass sowohl die magnetische Entropie als auch die thermische Entropie unverändert bleiben, sondern die eine kann zunehmen und die andere abnehmen.

Der magnetokalorische Effekt wird durch die Zunahme und Abnahme der magnetischen Entropie und der thermischen Entropie erreicht. Um die Gesamtentropie konstant zu halten, muss sich das magnetokalorische Material in einer adiabatischen Umgebung befinden. Eine adiabatische Umgebung bedeutet, dass zwischen dem gesamten System und der Außenwelt kein Wärmeaustausch stattfindet und keine Wärme eindringen oder austreten kann. Wenn zu diesem Zeitpunkt ein externes Magnetfeld auf das magnetische Material angewendet wird, werden die magnetischen Momente sauber angeordnet, die magnetische Entropie nimmt ab und die thermische Entropie nimmt zu, wodurch Wärme freigesetzt wird. Im Gegenteil: Wenn das Magnetfeld entfernt wird, nimmt die thermische Entropie ab und es muss Wärme absorbiert werden, was einen Kühleffekt erzeugt. Die geheimnisvoll klingende magnetische Kühlung ist nichts weiter als ein „Wippspiel“, bei dem eine Seite gewinnt, während die andere verliert.

Prinzip des magnetokalorischen Effekts, erstellt vom Autor

Obwohl das Grundprinzip der magnetischen Kühlung einfach ist, bedarf es einiger genialer Ideen, um dieses Prinzip in Geräte umzusetzen, die in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden können.

Um den magnetischen Kühlprozess zu realisieren, werden Komponenten wie magnetische Materialien, Magnetfeldquellen und Wärmetauscher benötigt.

Erstens führt in einer adiabatischen Umgebung das Anlegen eines externen Magnetfelds dazu, dass das magnetische Material seine magnetische Momentausrichtung ändert und Wärme freisetzt, die dann über einen Wärmetauscher vom Kühler abgeführt wird. Wenn das Magnetfeld entfernt wird, sinkt die Temperatur des magnetischen Materials. Im Vergleich zum zu kühlenden Objekt ist die Temperatur des magnetischen Materials niedriger, sodass das magnetische Material Wärme vom zu kühlenden Objekt absorbiert, wodurch dessen Temperatur sinkt. Dieser Zyklus wiederholt sich und bildet einen geschlossenen Kreislauf für den Wärmefluss. Durch den sich wiederholenden Zyklus wird die Wärme des Kühlobjekts kontinuierlich absorbiert und so der Kühleffekt erzielt.

Schematische Darstellung des magnetischen Kühlsystems, erstellt vom Autor

TEIL 2

Hocheffiziente und energiesparende Magnetkühlung

In der Praxis bietet die magnetische Kühlung viele einzigartige Vorteile:

1) Grün und umweltfreundlich. Bei der magnetischen Kühlung ist der Einsatz umweltschädlicher Chemikalien nicht erforderlich, was einen erheblichen Unterschied zur herkömmlichen Kompressorkühlung darstellt. Bei der herkömmlichen Methode müssen Kühlmittel zum Aufnehmen und Abgeben von Wärme eingesetzt werden. Diese Kühlmittel enthalten einige organische Fluoride, Ammoniak und Kohlenwasserstoffe, die die Ozonschicht schädigen, giftig sind, leicht auslaufen, entflammbar und explosiv sind usw.

2) Hohe Effizienz und Energieeinsparung. Magnetische Kühlsysteme erreichen die Kühlung durch Änderungen der Magnetfelder und nicht durch die mechanische Kompression von Gasen, wie es traditionell geschieht. Dies bedeutet, dass die magnetische Kühlung bei sehr niedrigen Temperaturen arbeiten kann und weniger Energie verbraucht. Der theoretische Wirkungsgrad der magnetischen Kühlung kann 60–70 % des Wirkungsgrads des Carnot-Zyklus erreichen, während er bei der Gaskompressionskühlung im Allgemeinen 20–40 % beträgt. Das heißt, unter den gleichen anderen Bedingungen beträgt der Stromverbrauch der Magnetkühlung nur etwa 50 % des Stromverbrauchs herkömmlicher Kompressionskühlschränke.

3) Stabil und zuverlässig. Die magnetische Kühlung benötigt keinen Gaskompressor, hat wenige bewegliche Teile, keine Vibrationen, keinen Lärm, ist hochzuverlässig, hat eine lange Lebensdauer und ist leicht zu warten.

Gerade aufgrund dieser Vorteile wird die magnetische Kältetechnik in der Luft- und Raumfahrt, der Medizin, der Elektronik und anderen Bereichen häufig eingesetzt. Je nach Anwendungstemperaturbereich wird die magnetische Kühlung hauptsächlich im Ultratieftemperaturbereich (<1 K, z. B. in der Quanteninformatik usw.), im Niedertemperaturbereich (z. B. in der Kernspintomographie, Gasverflüssigung usw.) und im Raumtemperaturbereich (z. B. in Klimaanlagen, Kühlschränken usw.) eingesetzt.

Anwendung der magnetischen Kühlung, vom Autor gemacht

Derzeit übersteigt der gesamte industrielle Produktionswert der Kälte- und Klimaindustrie meines Landes eine Billion Yuan, und der Stromverbrauch für die Kältetechnik übersteigt 15 % des gesamten Stromverbrauchs des Landes, was das Land zu Recht zu einem großen Energieverbraucher macht. Die meisten der derzeit weit verbreiteten Kältemittel haben einen großen Treibhauseffekt, und die durch Kältemittellecks verursachten Emissionen sind ein wichtiger Bestandteil der Treibhausgase meines Landes. Derzeit befindet sich die Kälte- und Klimaanlagenbranche in einer kritischen Phase der Umsetzung des „Aktionsplans für umweltfreundliche und effiziente Kühlung“ und der Reaktion auf den globalen Klimawandel. Als CO2-freie Energiekühltechnologie ist die Magnetkühlung grün, umweltfreundlich, hocheffizient, energiesparend, stabil und zuverlässig und stellt somit eine vielversprechende Alternative zur Dampfkompressionskühltechnologie bei Raumtemperatur dar.

Prognose des Stromverbrauchs für die Kälte- und Klimabranche und die prozentuale Stromeinsparung in verschiedenen Bereichen. Quelle: Forschungsbericht zur grünen Kältetechnikbranche 2022

TEIL 3

Warum wurde die magnetische Kühlung noch nicht kommerzialisiert?

Derzeit haben sich viele wissenschaftliche Forschungseinrichtungen und führende Unternehmen im In- und Ausland beeilt, Prototypen magnetischer Kühlung in unterschiedlichen Temperaturzonen vorzuführen. So präsentierten Haier und Aerospace Corporation beispielsweise 2015 gemeinsam auf der Consumer Electronics Show in Las Vegas den weltweit ersten Weinschrank mit magnetischer Kühlung und Raumtemperatur. Das Team von Professor Shen Jun vom Beijing Institute of Technology/Technical Institute of Physics and Chemistry der Chinesischen Akademie der Wissenschaften forscht seit 2012 an der magnetischen Kältetechnik für Volltemperaturzonen.

Mit der steigenden Nachfrage nach hochmodernen wissenschaftlichen Anwendungen wie der Weltraumforschung ist die adiabatische Entmagnetisierungskühlung bei ultraniedrigen Temperaturen aufgrund ihrer Vorteile wie Unabhängigkeit von der Schwerkraft, kompakte Struktur und hohe Kühleffizienz zu einer Schlüsseltechnologie in Spitzenwissenschaften wie der Weltraumforschung, der Quantentechnologie und der Festkörperphysik geworden.

Das Forschungsteam von Professor Shen Jun entwickelte einen unabhängigen und steuerbaren Prototyp zur adiabatischen Entmagnetisierung, konstruierte eine Kaskaden-ADR (adiabatische Entmagnetisierungskühlung) und erreichte die niedrigste Temperatur unter 50 mK.

Die magnetische Tieftemperaturkühlung begann relativ spät und derzeit liegt der Schwerpunkt auf der Erforschung der Regulierung magnetokalorischer Eigenschaften durch die Zusammensetzung magnetokalorischer Materialien, während der Gesamtprozess und die Architektur relativ wenig erforscht sind. Da die adiabatische Temperaturänderung magnetokalorischer Materialien begrenzt ist, wird die magnetische Kühlung üblicherweise mit anderen Kühltechnologien im Temperaturbereich von flüssigem Helium kombiniert, um einen zusammengesetzten magnetischen Niedertemperaturkühler zu konstruieren. Die magnetische Kältetechnik bei Raumtemperatur ist relativ weit entwickelt. Seit 2017 hat das Forschungsteam von Shen Jun eine Reihe von Raumtemperatur-Prototypen mit hoher Kühlleistung entwickelt, darunter einen Prototyp einer magnetischen Kühlung der 100-Watt-Klasse, der in der Industrie eingesetzt werden kann.

Haiers kompressorfreier Weinschrank auf der CES 2015. Bildquelle: Offizielles Konto von Haier Smart Home

Physikalische Bilder von Magnetkühlschränken in verschiedenen Temperaturzonen: Ultratieftemperatur-Adiabatische-Entmagnetisierungskühlschrank (links), Flüssighelium-Komposit-Magnetkühlschrank in der Temperaturzone (Mitte) und Multipol-Magnetkühlschrank bei Raumtemperatur (rechts)

Obwohl es bereits viele magnetische Kühlgeräte gibt, werden sie derzeit nur in bestimmten Industriebereichen und Laboren eingesetzt und sind relativ teuer. Dies zeigt, dass die magnetische Kältetechnik noch einige Herausforderungen zu meistern hat, wenn sie in Tausenden von Haushalten Einzug halten soll.

Bei der Forschung zur Anwendung magnetischer Kühlung bedarf es fachübergreifender Komplementarität und gemeinsamer Innovation, darunter in den Bereichen Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, technische Thermophysik und Kältetechnik. Derzeit gibt es zwei Hauptgründe, die die Kommerzialisierung der magnetischen Kühlung behindern:

Erstens handelt es sich bei magnetischen Kühlmaterialien häufig um Verbindungen aus Seltenerdmetallen, deren Herstellung teuer und kostspielig ist. Selbst in China, einem Land mit reichen Vorkommen an seltenen Erden, ist es schwierig, die Kosten für den gesamten Magnetkühler so zu senken, dass sie mit denen eines Kompressionskühlers vergleichbar sind.

Zweitens ist es aufgrund des aktuellen Magnetkreisdesigns schwierig, das gesamte Gerät auf Haushaltsgröße zu reduzieren und gleichzeitig die Kühlwirkung sicherzustellen.

Obwohl in der magnetischen Kühlvorrichtung kein Kompressor vorhanden ist, kommt es in der tatsächlichen Konstruktion zu Relativbewegungen von Permanentmagneten oder magnetischen Materialien, was zwangsläufig zu leichten Geräuschen und Vibrationen führt.

Dies sind jedoch alles Probleme, die überwunden werden können. Angesichts der kontinuierlichen Weiterentwicklung von Wissenschaft und Technologie und der harten Arbeit der wissenschaftlichen Forschungsmitarbeiter haben wir Grund zu der Annahme, dass die magnetische Kältetechnik weiterentwickelt und angewendet wird und sich in Zukunft zu einem leistungsstarken Werkzeug im Bereich der Kältetechnik entwickeln wird.

Autor: Li Zhenxing, Assistenzforscher am Beijing Institute of Technology, junges Mitglied der Beijing Refrigeration Society

Shen Jun, Professor am Beijing Institute of Technology, National Outstanding Youth, Mitglied des Jugendausschusses der Beijing Refrigeration Society

Su XiuMasterstudent am Beijing Institute of Technology

Quelle: Beijing Refrigeration Society