Entwicklung magnetischer Kühlmaterialien, die eine effiziente Wasserstoffverflüssigung ermöglichen

Das National Institute for Materials Science (NIMS), die Tohoku University und das Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI) haben eine Reihe von Er(Ho)Co2-basierten magnetischen Kühllegierungen entwickelt, die zur effizienten Kühlung von Wasserstoff von 77 K auf 20 K verwendet werden können: seine Verflüssigungstemperatur. Diese Legierungen weisen eine hervorragende zyklische Haltbarkeit auf und können zur Entwicklung eines leistungsstarken magnetischen Kühlsystems verwendet werden, das zur kostengünstigen Wasserstoffverflüssigung in der Lage ist – eine Schlüsseltechnologie, um eine weit verbreitete Nutzung des grünen Kraftstoffs zu erreichen.

Es wird erwartet, dass Wasserstoffbrennstoff eine wichtige Rolle bei der Förderung einer kohlenstoffneutralen Gesellschaft spielen wird. Wasserstoffgas hat ein großes Volumen und seine Verflüssigung hat große Vorteile in Bezug auf Sicherheit und Platzersparnis für Lagerung und Transport. Die weit verbreitete Nutzung von Wasserstoff wird die Entwicklung neuer Technologien erfordern, die eine Produktion von flüssigem Wasserstoff zu wesentlich geringeren Kosten ermöglichen. Die magnetische Kühltechnologie nutzt Änderungen der magnetischen Entropie in einem magnetischen Material als Reaktion auf das zyklische Anlegen und Entfernen eines externen Magnetfelds. Das Entfernen des Magnetfelds bewirkt, dass die magnetischen Momente von Atomen in dem Material von ausgerichteten Orientierungen zu zufälligen Orientierungen wechseln. Dies wiederum bewirkt, dass das Material Wärme aus einem es umgebenden Kältemittelgas aufnimmt, wodurch indirekt Wasserstoff gekühlt und verflüssigt wird. Theoretisch kann die magnetische Kühltechnologie 25 % bis mehr als 50 % energieeffizienter sein als die herkömmliche Dampfkompressions-Kühltechnologie. Darüber hinaus kann die Größe der benötigten Ausrüstung viel kleiner sein, da kein großer Kompressor – ein großer Energieverbraucher – erforderlich ist, wodurch die Produktionskosten für flüssigen Wasserstoff potenziell erheblich gesenkt werden können. Kein vorhandenes magnetisches Material war jedoch in der Lage, Wasserstoff über einen weiten Temperaturbereich von 77 K (Stickstoff-Verflüssigungstemperatur) bis 20 K (Wasserstoff-Verflüssigungstemperatur) effizient zu kühlen und der Verschlechterung zu widerstehen, die durch akkumulierte innere Spannungen verursacht wird, die sich aus der Einwirkung wechselnder Magnetfelder ergeben Temperaturen.

Magnetische Verbindungen auf Er(Ho)Co2-Basis waren dafür bekannt, Wasserstoff von 77 K auf 20 K effektiv zu kühlen. Ihre Kühlfähigkeit war jedoch aufgrund ihrer schlechten zyklischen Leistung nicht reversibel. Diese Probleme werden in dieser Arbeit überwunden. Diese Forschungsgruppe entdeckte, dass durch die Zugabe von Spuren von 3D-Übergangsmetallelementen die Verbindungen widerstandsfähig gegen Verschlechterung durch wiederholte Magnetfeldanwendung und Temperaturschwankungen werden. Durch Anpassung der Arten und Mengen dieser Zusatzstoffe konnte die Gruppe eine Reihe magnetischer Materialien entwickeln, die in Kombination verwendet werden können, um Wasserstoff von 77 K auf 20 K zu kühlen, ohne ihre hohen Kühlfähigkeiten in diesem Temperaturbereich zu beeinträchtigen.