Forscher enthüllen geheime Eigenschaften eines innovativen Festkörperkühlmaterials

BerlinEin Forscherteam des Oak Ridge National Laboratory hat einen bedeutenden Fortschritt in der Kühlungstechnologie erreicht. Sie haben ein neues Kühlmaterial auf atomarer Ebene untersucht, das Kühlsysteme für Anwendungen wie Lebensmittelaufbewahrung, Autos und Elektronik effizienter machen kann. Dabei kommt das neue Verfahren ohne die üblichen Kühlmittel oder bewegliche Teile aus.

Wissenschaftler untersuchten eine Legierung aus Nickel, Kobalt, Mangan und Indium, die ihre Form verändern und dann wieder in ihre ursprüngliche Gestalt zurückkehren kann. Dies geschieht, wenn die Temperatur erhöht oder ein Magnetfeld angelegt wird.

Wichtige Erkenntnisse dieser Forschung:

• Festkörperkühlung ist eine aufstrebende Technologie.
• Sie ist umweltfreundlich und verzichtet auf herkömmliche Kältemittel.
• Das untersuchte Material ist eine magnetische Formgedächtnislegierung.
• Die Untersuchung erfolgte mit Neutronenstreuinstrumenten.

Wenn die Legierung einem Magnetfeld ausgesetzt wird, ändert sie ihre Phase und nimmt Wärme auf bzw. gibt sie ab. Dies wird als magnetokalorischer Effekt bezeichnet und ermöglicht eine Kühlung ohne bewegliche Teile. Das ORNL-Team entdeckte, dass die Kühlleistung dieser Legierung durch Wärme in lokalen Magnon-Phonon-Hybridmodi um das Dreifache gesteigert wird.

Diese Legierung befindet sich nahe einem Zustand namens ferroischer Glaszustand, der ihre Fähigkeit zur Wärmeaufnahme und -abgabe verbessert. In kleinen Bereichen des Materials interagieren Magnonen (Spinwellen) und Phononen (Vibrationen); diese Bereiche werden lokalisierte hybride Magnon-Phonon-Moden genannt. Wissenschaftler entdeckten, dass diese Moden das Verhalten der Phononen bei Anlegen eines Magnetfelds verändern und auch die Phasenstabilität des Materials beeinflussen.

Das Material kann auf zwei verschiedene Weisen unordentlich werden: als Spin-Glas und als Strain-Glas. Beim Spin-Glas sind die magnetischen Momente der Atome zufällig ausgerichtet. Beim Strain-Glas ist das atomare Gitter im Nanometerbereich verzerrt. Diese ungeordneten Zustände speichern Wärme in lokalen Schwingungszuständen. Ein Magnetfeld kann die gespeicherte Wärme freisetzen.

Neutronenstreuexperimente zeigen, dass die Wärme in speziellen lokalen Magnon-Phonon-Moden die Kühlleistung verbessert, erklärte Michael Manley, der Leiter der Studie am ORNL. Diese Entdeckung könnte zu besseren Materialien für die Festkörperkühlung führen.

Diese Forschung wurde durch die Materialwissenschaften und Ingenieurabteilung des DOE-Büros für Wissenschaft finanziert. Einige der Neutronenstreuexperimente wurden im Hochfluss-Isotopenreaktor und der Spallationsneutronenquelle des ORNL durchgeführt. Das National Institute of Standards and Technology stellte ebenfalls Neutronenforschungseinrichtungen zur Verfügung.

Diese magnetische Formgedächtnislegierung kann Wärme effizient aufnehmen und könnte eine solide Kühlung ohne den Einsatz herkömmlicher Kühlmittel oder mechanischer Teile ermöglichen. Die Entdeckungen des Teams eröffnen neue Chancen zur Verbesserung der Kühlschranktechnologie.