SPP 1599:  Kalorische Effekte in ferroischen Materialien: Neue Konzepte der Kühlung

• Fachliche Zuordnung: Materialwissenschaft und Werkstofftechnik ; Physik ; Wärmetechnik/Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung von 2012 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 198599533

Ein wesentlicher Anteil des in Deutschland und Europa erzeugten elektrischen Stroms wird für Kühlung verwendet und trägt entsprechend zum weltweiten CO2-Ausstoß bei. Kalorische Effekte in Festkörpern versprechen dabei ein hohes Einsparungspotenzial. Die kürzliche Entdeckung großer Entropieänderungen an Phasenübergängen erster Ordnung ermöglicht eine höhere Effektivität. Diese ferroischen Übergänge verstärken die Entropieänderungen von magneto-, elasto-, baro- und elektrokalorischen Effekten. Da sich das Kühlmittel zudem in einem festen Zustand befindet, benötigt diese Technologie keinerlei fluorkohlenstoffhaltigen Kältemittel, die wesentlich zum weltweiten Treibhauseffekt beitragen. Eine kompakte Bauweise und ein skalierbarer Funktionsmechanismus versprechen neuartige Anwendungen insbesondere für die Kühlung von Mikrosystemen. Während die prinzipielle Realisierbarkeit von magnetokalorischer Kühlung bereits offensichtlich ist, hemmt die Notwendigkeit, hohe magnetische Felder (> 2 T) zu erzeugen, noch die großflächige industrielle und kommerzielle Anwendung. Es wird erwartet, dass dieses Hindernis durch Materialien mit geringerer Hysterese und durch die Verwendung andersartiger (elektrischer oder mechanischer) Felder überwunden werden kann. Um die Forschung im Bereich der ferroischen Kühlung zu fokussieren, stellt sich dieses Schwerpunktprogramm den zentralen Herausforderungen, die noch vor der Anwendung ferroischer Materialien in praktischen Kühlungssystemen gelöst werden müssen: Analyse der zugrunde liegenden Mechanismen, Energieeffizienz, Skaleneffekt, Hystereseverluste, Ermüdung und Systemintegration. Hierbei werden folgende "ferroisch-kalorische" Materialklassen und deren Kombinationen untersucht: ferromagnetische, ferroelektrische und ferroelastische Materialien. Die Komplexität der ferroischen Kühlung erfordert eine enge Zusammenarbeit von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Materialwissenschaften, Ingenieurwissenschaften und Physik. Das Ziel dieses Schwerpunktprogramms ist es, diese unterschiedlichen Disziplinen zu verbinden, um deren komplementäre Kompetenz von der Grundlagenforschung bis zur Anwendung zu verknüpfen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Internationaler Bezug: Schweiz

Projekte

• Ab initio Simulation magnetokalorischer and elektrokalorischer Effekte in nanostrukturierten Filmen (Antragstellerin Grünebohm, Anna )
• Ab initio study on the coupling of lattice and magnetic degrees of freedom and the role of interfaces in magneto-caloric materials (Antragsteller Hickel, Tilmann )
• Coarse grained models for large scale atomistic simulations of spin and lattice dynamics (Antragsteller Opahle, Ingo )
• Compositional and Microstructural Optimization and Microstructural, Thermal and Mechanical Assessment of NiTi Shape Memory Alloys for Ferroelastic Cooling (Antragsteller Eggeler, Gunther )
• Coordination of SPP 1599 FerroicCooling (Antragsteller Fähler, Sebastian )
• Design elektrokalorischer mehrlagiger Kühlelemente mit Hilfe von Multiskalenmodellierung (Antragstellerinnen / Antragsteller Albe, Karsten ;  Xu, Bai-Xiang )
• Development and Validation of a NiTi-Based Ferroelastic Cooling Demonstrator (Antragsteller Schütze, Andreas )
• Ein Elastokalorischer Formgedächtniskühldemonstrator - Entwicklung & Realisierung; Modellentwicklung; Materialoptimierung (Antragsteller Eggeler, Gunther ;  Schütze, Andreas ;  Seelecke, Stefan )
• Elastocaloric Ti-Ni based Films and Devices - Materials (Antragsteller Quandt, Eckhard )
• Elastokalorische TiNi-basierte Dünnschichten und Bauelemente (Antragsteller Kohl, Manfred ;  Quandt, Eckhard )
• Elektrokalorischer Effekt in bleifreien Relaxor-Kermiken und Kompositen (Antragsteller Lupascu, Doru Constantin ;  Rödel, Jürgen )
• Entwicklung keramischer Perowskitwerkstoffe und Bauelementstrukturen für elektrokalorische Anwendungen (Antragstellerin Gebhardt, Sylvia )
• In-situ XRD for studying the effects of external fields on the structure of magnetocaloric materials (Antragstellerin Waske, Anja )
• Konzepte für elektrokalorische Multischicht-Kühlelemente (Antragsteller Gerlach, Gerald )
• Koordinationsfonds (Antragsteller Fähler, Sebastian )
• Kopplungsphänomene in magnetokalorischen Materialien: Von dünnen Schichten zu Kompositen (Antragstellerinnen / Antragsteller Hickel, Tilmann ;  Hütten, Andreas ;  Waske, Anja )
• Kühlleistung in bleifreien electrokalorischen Materialien (Antragsteller Rödel, Jürgen )
• Magnetisches Kühlen mit hohen Zyklusfrequenzen und direkte Messung von Delta T in ferroischen Dünnschichten und Proben mit geringem Volumen (Antragsteller Hägele, Daniel )
• Magnetokalorische und Elektrokalorische Effekte: Was kann man von epitaktischen Schichten lernen? (Antragsteller Fähler, Sebastian ;  Hühne, Ruben )
• Methodological Development and Design of Electrocaloric Cooling Systems for Electric Vehicle Applications (Antragstellerin Raatz, Annika )
• Neue kalorische Materialien mit maßgeschneiderter Hysterese: Von grundlegenden Mechanismen zur Anwendung (Antragsteller Acet, Mehmet ;  Gruner, Markus ;  Gutfleisch, Oliver ;  Wende, Heiko )
• Novel caloric materials by mastering hysteresis: a material science approach (Antragsteller Gutfleisch, Oliver )
• Novel Caloric Materials by Mastering Hysteresis: Combinatorial Development of Magnetocaloric Materials (Antragsteller Ludwig, Alfred )
• Novel caloric materials by mastering hysteresis: microscopic understanding by element-specific studies (Antragsteller Wende, Heiko )

• Sprecher: Privatdozent Dr. Sebastian Fähler