Entwicklung von Materialien für die magnetische Kühlung zur Wasserstoffverflüssigung durch einen kombinierten Forschungsansatz

• Antragsteller: Konstantin Skokov, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Computergestütztes Werkstoffdesign und Simulation von Werkstoffverhalten von atomistischer bis mikroskopischer Skala ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 514785069

Grüner Wasserstoff aus erneuerbaren Energiequellen ist einer der Eckpfeiler für eine klima- und CO2-neutrale Gesellschaft. Eine der größten Herausforderungen sind jedoch die Speicherung und der Transport von Wasserstoff: Aufgrund des großen Volumens von H2-Gas ist eine Verflüssigung (Verfl.) zur Volumenreduktion erforderlich. Die Effizienz etablierter Verfl.smethoden ist bei Temperaturen (T) unter 100 K eher gering, so dass dringend eine neue technologische Lösung benötigt wird. Hier schlagen wir einen grundlegend anderen Ansatz zur Verfl. von Gasen mittels der neu aufkommenden magnetischen (magn.) Kühlung basierend auf dem magnetokalorischen Effekt (MKE) vor. Mit den jüngsten Fortschritten bei supraleitenden Magneten mit statischen Feldern von bis zu 7–14 T wird eine magnetokalorische (MK) Kühlung bei kryogenen T realistisch und könnte eine Revolution in der Technologie der Gasverfl. ermöglichen. Der Hauptengpass für praktische Anwendungen kryogener magn. Kühlsysteme ist der Mangel an magn. Materialien mit gigantischem und reversiblem MKE für T von 10–80 K. Die weltweite aktuelle Forschung widmet sich der Lösung dieses Problems, und dies ist auch das Hauptziel des vorliegenden Forschungsantrags. Die Antragsteller an NIMS und TUDa verfügen über umfangreiche Erfahrung in der Entwicklung magn. und MK Materialien. Beide Teams haben bereits vor der Konzeptionierung dieses Vorhabens auf den Gebieten der MK Materialien und der Permanentmagnete zusammengearbeitet. Die stark komplementäre Expertise der Partner ermöglicht nicht nur, das beantragte Projekt erfolgreich abzuschließen, sondern damit auch einen Beitrag zur Revolutionierung der Technologie der Wasserstoffgasverfl. leisten zu können. In diesem Projekt beabsichtigen wir, unterstützt durch Maschinelles Lernen neuartige und nachhaltige MK Verbindungen mit einer gigantischen und reversiblen Änderung der magn. Entropie und ausgezeichneter mechanischer Beständigkeit zu entwickeln. Die vorhergesagten Verbindungen mit vielversprechenden Eigenschaften werden experimentell unter Verwendung verschiedener Synthesemethoden von Einkristall- bis hin zu Pulververarbeitungs-, Kompaktierungs- und Formgebungsverfahren umgesetzt. Mit den vielversprechendsten Kandidaten führen wir Untersuchungen zu den physikalischen Eigenschaften wie dem MKE, Widerstand, Magnetostriktion, Elastizitätsmodul usw. und ihrer Mikrostruktur durch, um den Ursprung der Hysterese und die Natur des verstärkten MKE zu verstehen. Abschließend erfolgt die Evaluation der entwickelten neuartigen Seltenerd(SE)-3d- und SE-freien Verbindungen in einem realen magn. Kühlsystem zur H2-Verfl. Auch wenn diese Technologie heute noch in den Anfängen steckt, sind wir davon überzeugt, dass die Zusammenführung der Forschungsaktivitäten von TUDa- und NIMS-Teams in diesem Projekt weitreichende Perspektiven für die Etablierung einer zukünftigen „Wasserstoffgesellschaft“ mit umweltfreundlicher Energieerzeugung, deren Nutzung und Klimaneutralität eröffnet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Japan
• Kooperationspartner: Dr. Hossein Sepehri Amin