Leistungsstarke Magnete können zur effektiven Kühlung, Wärme- und Stromerzeugung verwendet werden. Sie tragen entscheidend zur Energiewende bei. Ein Verbund unter der Leitung der Universität Duisburg-Essen (UDE) erforscht daher neue magnetische Werkstoffe, die effizient und umweltverträglich sind. Partner im Projekt PUMA sind die Technische Universität Darmstadt und das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR). Das Bundesforschungsministerium fördert PUMA ab Oktober für vier Jahre mit zwei Millionen Euro.

Ob in der Robotik, bei der Datenspeicherung oder der Energieumwandlung: Magnete werden bereits in vielen Bereichen eingesetzt. Um sie herzustellen, braucht es Metalle und Mineralien, meist sind es Seltene Erden. Im Projekt PUMA (PUlsed high MAgnetic fields for new functional magnetic materials) wollen die Wissenschaftler*innen daher hocheffiziente Magnete entwickeln, die möglichst ohne diese eingeschränkt verfügbaren und deshalb als kritisch eingestuften Rohstoffe auskommen.

Verschiedene Varianten

„Wir konzentrieren uns zum einen auf Permanentmagnete. Diese haben einen maximal hohen Wirkungsgrad und werden beispielsweise in Motoren für die Elektromobilität eingesetzt oder in Generatoren für Windkraftanlagen“, erklärt Projektleiter Prof. Dr. Heiko Wende von der UDE. Sein Kollege von der TU Darmstadt, Prof. Dr. Oliver Gutfleisch, ergänzt: „Zum anderen erforschen wir neue Materialien, die sich den magnetokalorischen Effekt zunutze machen. Das bedeutet, dass verschiedene Metalle und Legierungen ihre Temperatur ändern können, sobald sie einem magnetischen Feld ausgesetzt sind. Uns interessiert vor allem, dieses Phänomen zur festkörperbasierten Kühlung als klimafreundliche Alternative zur konventionellen Gas-Kompressionskühlung einzusetzen.“

Für die Untersuchungen wird der Dreierverbund die europäische Experimentierstation ESRF in Grenoble nutzen, denn sie ist eine der weltweit brillantesten Anlagen für Synchrotronstrahlung. „In Grenoble planen wir, an einem Strahlrohr ein neues gepulstes Hochfeld-System aufzubauen“, erklärt Prof. Dr. Joachim Wosnitza vom HZDR. „Damit sollen Magnetfelder mit mehr als 50 Tesla erzeugt werden, das entspricht dem Einmillionenfachen des Erdmagnetfelds. So können wir die Wechselwirkungen genau analysieren, die für die Funktion der magnetokalorischen Materialien wesentlich sind.“

Die Röntgenexperimente am Europäischen Synchrotron ESRF sollen die Tür zu bisher unzugänglichen Untersuchungen unter den extremen Probenbedingungen der hohen gepulsten Magnetfelder öffnen. Die HZDR-Team entwickelt hierfür maßgeschneiderte Magnetspulen, eine lasergetriggerte Stromversorgung sowie kryogene Ausrüstungen für Spulen- und Probenkühlung. „Wichtig für den Erfolg der Experimente ist, dass nur wenige Minuten zwischen den einzelnen Magnetpulsen für die Rückkühlung von Spule und Ladegeräten liegen dürfen“, betont Wosnitza, Direktor des Hochfeld-Magnetlabors Dresden (HLD) am HZDR. Für die Konstruktion der komplexen Magnetanlage profitiert sein Labor von den langjährigen Erfahrungen mit vielen internationalen Nutzer*innen, die in Dresden Experimente in höchsten Magnetfeldern durchführen.

Bild oben: Dr. Tino Gottschall vom Hochfeld-Magnetlabor Dresden des HZDR ist Experte für die magnetische Kühlung. Foto: HZDR/ Rainer Weisflog