Rotierenden ring (mitte), etwa die durchmesser von eine kompakte disk, zyklen pulverisierte magnetische material in und aus einem spalt in die starken magneten auf der rückseite.

Das Konzept magnetischer Kühlschränke ist nicht neu, aber bis heute wurden erhebliche Fortschritte durch die Notwendigkeit extrem starker Magnetfelder behindert. In den letzten Jahren haben Wissenschaftler in zwei verschiedenen Unternehmen die verwendeten magnetokalorischen Materialien erheblich verbessert und in funktionierende Prototypen integriert, die für den täglichen Gebrauch geeignet sind, so die Redner auf dem APS March Meeting in Austin, Texas.Herkömmliche Kühlschränke arbeiten, indem sie ein Gas komprimieren und ausdehnen, während es um die Kühleinheit fließt, aber dieser Prozess ist nicht besonders effizient. Die Kühlung macht derzeit 25% des Stromverbrauchs in Privathaushalten und 15% des gewerblichen Stromverbrauchs in den USA aus In der Vergangenheit wurden auch umweltschädliche Gase verwendet.

Im Gegensatz dazu weisen magnetische Kühlgeräte bereits in kleinem Maßstab einen hohen Wirkungsgrad auf, was die Entwicklung tragbarer, batteriebetriebener Produkte ermöglicht. Stephen Russek von der Aeronautics Corporation schätzt, dass magnetische Kühlschränke, wenn sie vollständig entwickelt sind, den Energieverbrauch um etwa 10 Milliarden US-Dollar pro Jahr senken und die Kohlendioxidemissionen erheblich senken könnten. Darüber hinaus verwendet die magnetische Kühlung keine ozonabbauenden oder globalen Erwärmungsgase.Die Grundlagentechnologie basiert auf dem 1881 erstmals beobachteten magnetokalorischen Effekt: Ein effizientes magnetokalorisches Material erwärmt sich, wenn es in ein Magnetfeld gebracht wird, und kühlt sich reversibel wieder ab, wenn es aus dem Magnetfeld entfernt wird.

Der erste magnetische Kühlschrank wurde 1933 demonstriert, und magnetische Kühlung wurde in vielen Labors verwendet, um innerhalb eines Tausendstel Grades über dem absoluten Nullpunkt zu kühlen. Ames Laboratory wurde 1991 beteiligt, nach dem leitenden Metallurgen Karl Gschneider, Jr., als Aeronautics seine Gruppe bat, weniger teure magnetische Kältemittel für die Verflüssigung von Wasserstoff zu entwickeln. Sie produzierten Materialien, die 10% bis 30% effizienter waren als die damals verwendeten, und basierend auf dieser Arbeit demonstrierte Aeronautics im November 1996 einen Prototyp.Ein zweiter Durchbruch erfolgte 1997, als Wissenschaftler von Ames Lab entdeckten, dass der riesige Magnet- Ocaloric-Effekt in Gadolinium-Silizium-Germanium-Legierungen zwei- bis 10-mal größer war als in bestehenden Prototyp-Kältemitteln. Diese Legierungen verbessern die Effizienz großer magnetischer Kühlschränke, öffnen aber auch die Tür zu neuen kleinen Anwendungen wie der Klimatisierung von Privathaushalten und Kraftfahrzeugen.Anfangs verwendete das Verfahren jedoch teureres hochreines Gadolinium und führte zu geringen Mengen von weniger als 50 Gramm der Gd-Si-Ge-Legierungen. Gschneider und seine Kohorten entwickelten ein neues Verfahren zur Herstellung von Kilogrammmengen der Legierung mit kostengünstigem handelsüblichem Gadolinium, das nahezu den gleichen magnetokalorischen Effekt wie die ursprüngliche Entdeckung erzielte. Inzwischen haben andere Ames Lab-Forscher eine Permanentmagnetkonfiguration entwickelt, die ein stärkeres Magnetfeld erzeugen kann, ein wichtiger Fortschritt, da die Leistung und Effizienz des Geräts proportional zur Stärke des Magnetfelds ist.

Aufbauend auf ihrer früheren Demonstration eines auf Raumtemperatur basierenden supraleitenden Magneten hat die Aeronautics Corporation nun den ersten auf Raumtemperatur basierenden Permanentmagneten vorgeführt rotierender magnetischer Kühlschrank. Das Rotationsdesign besteht aus einem Rad mit Gadolinium und einem starken Permanentmagneten. Das Rad passiert einen Spalt im Magneten, wo das Magnetfeld istkonzentriert, und das Gadolinium erwärmt sich. Noch im Feld wird Wasser zirkuliert, um die Wärme aus dem Material zu ziehen und die Wärme durch den heißen Wärmetauscher abzuleiten. Wenn das Material das Magnetfeld verlässt, kühlt es weiter ab. Während sich das Material außerhalb des Feldes befindet, wird ein Wasserstrom durch das Material gekühlt und durch den kalten Wärmetauscher des Kühlschranks zirkuliert, wodurch dem zu kühlenden Objekt Wärme entzogen wird.

Aeronautics ist nicht das einzige Unternehmen, das sich der Entwicklung magnetischer Kühlung verschrieben hat. Wissenschaftlern der japanischen Chubu Electric ist es in Zusammenarbeit mit der Toshiba Corporation gelungen, einen rotierenden magnetischen Kühlschrank mit Permanentmagneten zu entwickeln.

Das Konstruktionsschema ähnelt dem der Luftfahrt, mit einer Erhöhung der Kühlleistung um den Faktor 1,5 und einer Verringerung der Antriebsleistung um 1/3. Chubus Gerät ist auch etwa ein Zwanzigstel so groß wie frühere Prototyp-Kühlschränke mit supraleitenden Magneten. Mögliche kommerzielle Anwendungen solcher Kühlschränke umfassen Klimaanlage, Lebensmittelkonservierung, Luftentfeuchtung und Getränkeausgabe.

Russek sagt jedoch, dass die wahrscheinlichsten frühen Anwendungen industrieller Natur sein werden: kühlung von Prozessflüssigkeiten für die Lebensmittel-, Chemie-, Industriegas- und Pharmaproduktion sowie Kühltransport und Kühlung von Elektronik. „Wir glauben fest daran, dass dies ein großartiges neues globales Geschäft sein könnte“, sagt er.