Es versteht sich von selbst, dass empfindliche Prozesse einer präzisen Temperaturregelung bedürfen – insbesondere Reinraumprozesse, wie sie aus der Pharmazie und der Halbleiterherstellung bekannt sind. Für die Aufrechterhaltung der erforderliche Reinraumklasse stellt die Kühlung eine essenzielle Voraussetzung dar. Davon hängen letztlich Prozessstabilität und Produktqualität ab.
Bedeutung von Kühlung steigt
Kühlung ist unter anderem nötig, weil Maschinen, Beleuchtung und Personen im Reinraum unvermeidlicherweise Wärme erzeugen. Dem wirkt der Betreiber beispielsweise mit einer aktiven Kühlung über wassergekühlte Wärmetauscher entgegen, wobei dieser wiederum Bestandteil eines umfassenden HVAC-Systems darstellen kann (Temperaturregelung, Lüftung, Feuchtigkeitskontrolle). Dazu gehören dann auch gleich die nötigen Filter für die Entfernung von Partikeln aus der Luft.
Die Bedeutung der Kühlung in diesem Gesamtsystem steigt sogar noch durch die fortschreitende Integration von Künstlicher Intelligenz (KI) in viele industrielle Prozesse, denn die für die aufwendigen Rechenoperationen eingesetzten Prozessoren, wie GPUs (Graphics Processing Units) und TPUs (Tensor Processing Units), stellen hohe Anforderungen an die Reinheit ihrer Umgebung und produzieren als „rauchendes KI-Gehirn“ auch noch enorm Abwärme.
Magnet statt Dampfkompression
Gleichzeitig besteht das Bestreben, Kühlung immer effizienter, kostengünstiger und nachhaltig bereitzustellen. Ein Weg in diese Richtung führt weg von den Dampfkompressionszyklus-Kühlungen herkömmlicher HVAC-Systeme inklusive ihrer klimaschädlichen Kühlmittel (Treibhausgase) und hin zu Materialien mit magnetokalorischem Effekt. Diese Materialien erwärmen sich, wenn sie in ein Magnetfeld gebracht werden (Schritt 1). Die Wärme lässt sich mit Hilfe Wasser oder Luft abführen (Schritt 2, ohne Treibhausgase). Anschliessend schaltet man das Magnetfeld ab, das Material erkaltet (Schritt 3) und nimmt nun Wärme aus dem zu kühlenden Reinraum auf (Schritt 4).
Die bisher bekannten magnetokalorischen Materialen mit hohem Kühleffekt scheiterten allerdings regelmässig an irreversiblen Energieverlusten (sog. Hysterese). Die Kühlleistung nahm mit jedem Kühl-Zyklus ab – und insgesamt sehr schnell. Materialien, deren Kühlleistungen sich über mehr Kühl-Zyklen aufrechterhalten liessen, kamen aber erst gar nicht auf die hohen Kühlleistungen, die für eine Anwendung in der Praxis erforderlich sind.
Zinn zaubert starken, zugleich stabilen Kühleffekt
Einen grossen Schritt nach vorn könnte nun ein neues magnetokalorisches Material aus Gadolinium, Germanium und Zinn bringen. Dazu haben Forscher der Technischen Universität Darmstadt einen genauen Blick auf die atomaren Vorgänge beim Anlegen des Magnetfelds geworfen (Schritt 1). Dabei richten sich die magnetischen Spins der Atome aus, gelangen damit zu einem höheren Ordnungsgrad (entsprechend zu einem Entropieverlust), was im Endeffekt zur Erwärmung führt.
Ein Material aus dem Metall Gadolinium und dem Halbmetall Germanium mit der Zusammensetzung Gd₅Ge₄ war bereits für seine hohe Kühlleistung bekannt. Nun konnten die Forscher zeigen, dass die gefürchtete Hysterese sich durch eine Feinabstimmung der kovalenten Bindungen entscheidend reduzieren liess, und zwar indem man durch Zulegierung von Zinn zu der neuen Verbindung Gd5Sn2Ge2. Hier ist ein Teil der Germaniumatome durch Zinn ersetzt (1).
Weg frei für nachhaltige Kältemittel
Dieses magnetokalorische Material behält seine hohe Kühlleistung über viele Kühl-Zyklen. Damit ist der Weg frei für nachhaltige und leistungsstarke magnetische Kältemittel. Sie eignen sich für verschiedene Anwendungen, zur Kühlung von Reinräumen ebenso wie für die Verflüssigung von Gasen wie Wasserstoff, Stickstoff und Erdgas. Dabei kommt ihnen zugute, dass sie auch bei extrem tiefen Temperaturen im Bereich von ca. -233 °C bis -113 °C eine hohe Effizienz zeigen.
Die Forscher haben ihre Messergebnisse für Gd5Sn2Ge2.bereits mit ähnlichen Materialien verglichen, zum Beispiel mit den siliziumhaltigen Gd5Ge3,6Si0,4 und Gd5Sn2Ge0,8Si1,2 (1). In Zukunft will man ein noch breiteres Spektrum von Verbindungen erkunden und auf Anwendungsmöglichkeiten testen bzw. weiterentwickeln.
Autor
Dr. Christian Ehrensberger
Literatur
X. Tang, Y. Miura, N. Terada, et al. Control of Covalent Bond Enables Efficient Magnetic Cooling. Adv. Mater. 38, no. 7 (2026): e14295. https://doi.org/10.1002/adma.202514295
