Strom aus Wechselbad des Magnetismus

Bei vielen Prozessen im Alltag und in der Industrie entsteht Abwärme, die nicht heiß genug ist, um sie sinn­voll zu ver­wenden. In der Regel wird sie unge­nutzt in die Umwelt geleitet, so zum Beispiel auch bei großen IT-Servern oder am Aus­tritt von Kraft­werks-Kühl­türmen. Bisher gibt es kaum anwen­dungs­reife Techno­logien, um diese Nieder­tempe­ratur-Abwärme in Elek­tri­zität umzu­wandeln. Große Hoff­nungen werden auf thermo­elek­trische Materi­alien gesetzt, bei denen eine elek­trische Spannung direkt aus der Wärme­diffe­renz des Materials erzeugt werden kann. Eine andere Möglich­keit ist die Nutzung thermo­magne­tischer Gene­ra­toren. Diese machen sich zunutze, dass die magne­tischen Eigen­schaften bestimmter Legie­rungen sehr stark von der Tempe­ratur abhängen.

Thermomagnetischer Gene­rator im Labor­maß­stab (Bild: IFW Dresden)

Ein solches Material ist zum Beispiel die Legierung aus den Elementen Lanthan, Eisen, Kobalt und Silizium, die bisher für magne­tische Kühl­anwen­dungen ein­ge­setzt wurde. Unter­halb von etwa 27 Grad Celsius ist das Material magne­tisch, während es bei höheren Tempe­ra­turen unmag­ne­tisch ist. Wird das Material abwech­selnd mit warmen und kalten Wasser in Berüh­rung gebracht, ändert sich fort­während die Magne­ti­sie­rung des Materials. Das wiederum bewirkt, dass in der ange­legten Spule eine Spannung indu­ziert wird, die für einen Ver­braucher genutzt werden kann. Dieses Prinzip thermo­magne­tischer Gene­ra­toren wurde bereits vor mehr als hundert Jahren ent­wickelt. Aller­dings ist die Aus­beute bisher deut­lich geringer als die von thermo­elek­trischen Gene­ra­toren, obwohl theo­re­tische Berech­nungen zeigen, dass viel bessere Kenn­zahlen erreich­bar sein sollten.

Durch eine clevere Anordnung der einzelnen Komponenten ist es Wissen­schaft­lern des IFW Dresden in Koope­ra­tion mit der TU Dresden und der Bundes­anstalt für Material­forschung in Berlin gelungen, die Leistung von thermo­magne­tischen Gene­ra­toren um Größen­ord­nungen zu ver­bessern. Hierzu ver­wen­deten sie einen magne­tischen Kreis­lauf aus zwei magne­tischen Quellen und zwei Elementen der thermo­magne­tischen Legie­rung. Die ein­zelnen Kompo­nenten sind mit magne­tisch leitendem Material ver­bunden, das an zwei Stellen mit einer Spule um­wickelt ist. Ein kalt-warmes Wechsel­bad der thermo­magne­tischen Elemente führt nun dazu, dass sie den Magnet­fluss abwech­selnd leiten oder unter­brechen. Das hat eine ständige Um­polung des Magnet­flusses in den Kreis­läufen zur Folge, wodurch in den Spulen eine elek­trische Spannung indu­ziert wird.

Mit einer Spannung von 0,2 Volt und einer Leistung von 1,24 Milli­watt ist der neue thermo­magne­tische Generator nicht nur um Größen­ord­nungen besser als seine Vor­gänger, sondern ent­wickelt sich damit auch zu einer mög­lichen Alter­na­tive zu thermo­elek­trischen Gene­ra­toren. Hinzu kommt, dass die Forscher noch viele Möglich­keiten sehen, diese Kenn­zahlen weiter zu opti­mieren. Sie sind sehr zuver­sicht­lich, dass die enorme Ver­besse­rung des thermo­magne­tischen Gene­rators dieser Techno­logie zum Durch­bruch verhilft. (Quelle: IFW Dresden / pro-physik.de)

Referenz: A. Waske et al.: Energy harvesting near room temperature using a thermomagnetic generator with a pretzel-like magnetic flux topology, Nat. Energy 4, 68 (2019); DOI: 10.1038/s41560-018-0306-x

Link: Functional Magnetic Films (S. Fähler), Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden

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