Magnet vs. Freon: Wissenschaftler von MISiS und Tver State University erfinden einen magnetischen Kühlschrank, der 30% - 40% effizienter ist

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MOSKAU, 25. April 2019 /PRNewswire/ -- Ein grundlegend neuer Kühlschrank wurde von Forschern der National University of Science and Technology MISIS und der Tver State University entwickelt. Er basiert auf einem Festkörper-Magnetsystem, das einen 30% bis 40% geringeren Energieverbrauch als der Gaskompressor-Kreislauf in traditionellen Kühlschränken bietet.

Eines der wichtigsten Haushaltsgeräte in unseren Wohnungen ist der Kühlschrank, der 20% bis 40% des gesamten Strombedarfs ausmacht. Global betrachtet ist die Technologie zur Erzeugung von Kälte in Kühlschränken für den Industrie- und Haushaltsbereich und in Haus- und Fahrzeugklimaanlagen ein sehr teures Unterfangen. Nach Expertenschätzungen machen diese Geräte bis zu 10% des weltweiten Stromverbrauchs aus.

Das wissenschaftliche Team aus Physikern und Ingenieuren der NUST MISIS Department for Functional Nanosystems & High-Temperature Materials (Abteilung für funktionelle Nanosysteme und Hochtemperaturwerkstoffe) und der Tver State University haben das Problem der effizienten Kälteerzeugung mit einem neuen magnetischen Kühlsystem gelöst. In einem herkömmlichen Kühlschrank erfolgt die Kühlung aufgrund der plötzlichen Verdampfung von Freon (oder anderen Kühlmitteln), das in einen gasförmigen Zustand übergeht. Die Erfindung junger russischer Wissenschaftler basiert auf einem anderen Prinzip, dem sogenannten magnetokalorischen Effekt. Einfach ausgedrückt umfasst dies die Änderung der Temperatur von magnetischem Material während der Magnetisierung oder Entmagnetisierung.

Technisch gesehen ist das Ganze relativ einfach: Ein Metallstab wird in ein Magnetfeld eingeführt und erwärmt sich, und er kühlt sich ab, wenn er aus dem Feld herausgenommen wird. Dies muss jedoch schnell und zyklisch erfolgen, damit der Temperaturunterschied erhalten bleibt. Ein Team aus Wissenschaftlern hat einen Prototyp dieser Kühlvorrichtung entwickelt, die zwar klein ist, aber den ganzen Kühlschrank kühlen kann.

„Da die Dichte der Metalllegierung viel größer ist als die von Gas, ist der gespeicherte Entropiewert (Maß für Unordnung) und damit die Kühlleistung größer", erklärt Dmitriy Karpenkov, einer der Projektentwickler und leitender Forscher der NUST MISIS Department for Functional Nanosystems & High Temperature Materials. „Dies erklärt die 30% bis 40% höhere Energieeffizienz neuer Festkörpergeräte im Vergleich zu Gaskompressionsanaloga.

Trotz ihrer geringen Größe können diese Geräte die maximale Spanne, nämlich 9 Grad Celsius, zwischen den Temperaturen von heißen und kalten Wärmetauschern bereitstellen. Der Hauptunterschied des entwickelten Prototyps zu allen Vorgängern besteht darin, dass die Arbeitskörper gleichzeitig als Kältemittel und Druckpumpe wirken. Diese technische Lösung schließt Pumpen, die eine zusätzliche thermische Belastung für den Kühlschrank darstellen, aus."

Die zweite einzigartige technische Lösung bestand darin, den Fluss der Wärmeübertragungsflüssigkeit von den kalten und heißen Wärmetauschern zu trennen, während sich Arbeitskörper, die sich in einem magnetisierten (entmagnetisierten) Zustand befinden, sequentiell von einem Fluss zum anderen bewegen können.

„Die Ergebnisse unserer Tests zeigen, dass die Verwendung von Kaskaden-Magnetkühlzyklen zu einer Erhöhung der Temperaturspanne um 80% führt", fügte Dmitriy Karpenkov hinzu.

Während des Experiments, um die Wirksamkeit des Prototyps abzuschätzen, haben die Forscher herausgefunden, dass die maximale Wärmemenge, die eine Wärmepumpe während eines Zyklus aufnehmen kann, etwa 405 J beträgt, was einer maximalen Kühlleistung von 45 Watt entspricht.

Derzeit hat das Forschungsteam einen Laborprototyp des Kühlmechanismus zusammengestellt und führt eine Reihe von Labortests durch.

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