SPP 1599: Caloric Effects in Ferroic Materials: New Concepts for Cooling
Physics
Thermal Engineering/Process Engineering
Final Report Abstract
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 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. Das SPP hat die wesentlichen Herausforderungen adressiert, um ferroische Materialien in praktische Kühlanwendungen umzusetzen: Verständnis der zugrundeliegenden physikalischen und werkstoffwissenschaftlichen Mechanismen, Energieeffizienz, Ermüdung und Systemintegration. Hierbei wurden folgende "ferroisch-kalorische" Materialklassen und deren Kombinationen untersucht: ferromagnetische, ferroelektrische und ferroelastische Materialien. Durch die enge Zusammenarbeit von Wissenschaftler*innen der Materialwissenschaften, Ingenieurwissenschaften und Physik konnten wesentliche Fragestellungen der ferroischen Kühlung von der Grundlageforschung bis zur Anwendung gelöst werden. Hohe internationale Sichtbarkeit erzielte das SPP insbesondere durch ermüdungsfreie elastokalorische Legierungen, elastokalorische Mikrokühler, magnetokalorische "Powder-in-Tube" Drähte und multikalorische Kühlzyklen, die Hystereseeffekte nutzen. Um über diese fachliche Exzellenz hinaus die internationale Sichtbarkeit des SPP zu erhöhen, wurde ein internationales Symposium und ein Workshop organisiert. Hervorzuheben ist außerdem die Thermag VIII, organisiert von Oliver Gutfleisch in Darmstadt, auf der die abschließenden Ergebnisse des SPP dem internationalen Publikum präsentiert wurden. Einen Überblick über die Ergebnisse gibt der wissenschaftliche Abschlussbericht, der als Sonderband in Energy Technology veröffentlicht wurde. Für den Erfolg des Schwerpunktprogramms FerroicCooling hat der interdisziplinäre Ansatz wesentlich beigetragen, da erstmals Werkstoffwissenschaftler*innen, Physiker*innen und Ingenieur*innen eng miteinander an magnetokalorischen, elektrokalorischen und elastokalorischen Werkstoffen geforscht und die Gemeinsamkeiten und Synergie der Effekte klar herausgearbeitet haben. Quantifizierbar ist die exzellente Vernetzung durch die hohe Anzahl von 123 gemeinsamen Publikationen mit internationalen Partner*innen, was rund der Hälfte aller während des SPP entstandenen 238 Publikationen entspricht.
