Wissenschaftler der Universität von Amsterdam in den Niederlanden haben erstmals einen effizienten, bei Raumtemperatur arbeitenden magnetischen Kühlschrank hergestellt. Das Kühlprinzip beruht auf der Ausrichtung von Elektronenspins in einem magnetischen Material und den daraus resultierenden Temperaturänderungen. Darüber berichten die Forscher in dem britischen Wissenschaftsblatt Nature (Band 415, Seite 150).
Das Herzstück des von Wissenschaftlern um Ekkes Brück in Amsterdam hergestellten magnetischen Kühlschranks besteht aus einer chemischen Verbindung des Elements Mangan. Der Kühlvorgang beruht auf dem periodischen Ein- und Ausschalten eines Magnetfeldes: Dieses richtet die Spins der Elektronen der Manganatome aus und verringert so deren Entropie. Da nach dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik die Entropie dieses Systems jedoch anwachsen muss, erhöht sich die ungeordnete Zitterbewegung der Manganatome selbst ? und damit deren Temperatur. Die dadurch erzeugte Wärme wird nun durch ein Wasser- oder Luftsystem abgeführt, so dass die Umgebungstemperatur konstant bleibt. Wenn nun im folgenden das Magnetfeld ausgeschaltet wird, bricht die Ordnung der Elektronenspins zusammen, was zu einer Verringerung der Entropie führt. Zum Ausgleich sinkt nun die Temperatur des Mangans ab ? und damit auch die Temperatur der Umgebung. Nun kann der Kühlzyklus von vorne beginnen, um die gewünschte Abkühlung zu Erzielen.
Magnetische Kühlschränke dieser Art weisen zwei bedeutende Vorteile gegenüber herkömmlichen, auf Gaskompression beruhenden Kühlsystemen auf: Ihre Effizienz ist mit fast 60 Prozent höher als die herkömmlicher Systeme (40 Prozent), und zudem kommen sie ohne umweltschädigende Chemikalien wie zum Beispiel Chlorfluorkohlenstoffverbindungen aus.
Im Gegensatz zu früheren, auf dem Element Gadolinium beruhenden Verwirklichungen magnetischer Kühlschränke arbeitet der von dem holländischen Team entwickelte Kühlschrank bei Raumtemperatur und kommt so ohne teure, supraleitende Magneten aus. Dies wird durch die mit 300 Kelvin relativ hohe Curie-Temperatur von Mangan ermöglicht. Da diese Temperatur im Bereich der Raumtemperatur liegt, kann die magnetische Entropie des Mangans in diesem Temperaturbereich mit relativ schwachen Magneten beträchtlich verändert werden.
Stefan Maier
