BEsT - Untersuchung multikalorischer Materialien durch Messungen der adiabatischen Temperaturänderung und Wärmekapazität

• Antragsteller: Dr. Tino Gottschall
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 456263705

Wir leben in einer Zeit, in der die Menschheit auf künstlich erzeugte Kälte angewiesen ist. Im Durchschnitt verfügen deutsche Haushalte über 1,8 Kühlschränke. Weltweit sind derzeit über 3 Milliarden Kühl- und Klimaanlagen im Einsatz, Tendenz steigend. Bereits heute werden rund 17 % der elektrischen Energie durch Kälteanlagen verbraucht. Neuartige, effizientere Technologien haben demnach das Potential enorme Energiemengen einzusparen.Magnetische Materialien könnten hier weiterhelfen. Wenn man diese einem Magnetfeld aussetzt, ändern sie ihre Temperatur. Dieser sogenannte magnetokalorische Effekt lässt sich nutzen, um umweltfreundliche Kühlsysteme zu konstruieren. Heusler-Legierungen aus Nickel, Mangan, Indium und Kobalt weisen enorme Kühleffekte bei Raumtemperatur und in moderaten Magnetfeldern auf. Die Ursache für die starke Abkühlung ist die Umwandlung der unmagnetischen Martensitphase in magnetischen Austenit. Allerdings lässt sich dieser Effekt nur ein einziges Mal erzeugen, da diese Materialien eine große thermische Hysterese aufweisen. Es konnte jedoch gezeigt werden, dass sich diese Hysterese unter dem Einfluss zweier verschiedener Felder in einem sogenannten multikalorischen Kühlprozess ausnutzen lässt. Da sich während der Umwandlung neben der Magnetisierung auch die Kristallstruktur ändert, kann durch das Anlegen von mechanischem Druck die Rückumwandlung induziert werden. Die Kombination von einem Magnetfeld und uniaxialem Druck ermöglicht so eine enorme Ersparnis an teuren Magneten aus Nd-Fe-B, da das Material nur kurz magnetisiert werden muss. Der experimentelle Nachweis für diesen multikalorischen Kühlprozess gelang in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Universität von Barcelona.Das Projekt BEsT hat zum Ziel, ein tiefgreifendes Verständnis über die Kopplungen der unterschiedlichen ferroischen Ordnungen in multikalorischen Materialien zu gewinnen, um damit deren Weiterentwicklung zu ermöglichen. Jedoch ist die dafür notwendige Charakterisierung umfangreich und herausfordernd, da die verschiedenen externen Felder sowohl einzeln als auch simultan angelegt werden müssen. Aufgrund der hohen Komplexität dieser Messungen existieren bisher auch nur wenige experimentelle Aufbauten, die sich zudem noch immer in Testphase befinden. Aufbauend auf der langjährigen Erfahrung und den Vorarbeiten des Antragstellers im Bereich der Kalorimetrie in statischen und in gepulsten Magnetfeldern werden im Rahmen des Projektes existierende Messaufbauten weiterentwickelt bzw. neu konstruiert, um multikalorische Untersuchungen in magnetischen und elektrischen Feldern sowie unter uniaxialem Druck sowohl an Volumenproben als auch an dünnen Schichten zu ermöglichen. Mit diesen neuen experimentellen Werkzeugen werden wir in der Lage sein, multikalorische Materialien besser zu verstehen, deren Kopplungskonstanten zu bestimmen und damit die Entwicklung des festkörperbasierten Kühlprozesses unter Ausnutzung thermischer Hysterese weiter voranzutreiben.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen