Keine Seltenen Erden oder flüssiges Helium erforderlich!
Kryogenes Kühlmaterial besteht ausschließlich aus reichlich vorhandenen Elementen
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In Zusammenarbeit mit dem National Institute of Technology (KOSEN), Oshima College, ist es dem National Institute for Materials Science (NIMS) gelungen, ein neues Regeneratormaterial zu entwickeln, das ausschließlich aus häufig vorkommenden Elementen wie Kupfer, Eisen und Aluminium besteht und kryogene Temperaturen (ca. 4 K = -269°C oder darunter) ohne Verwendung von Seltenerdmetallen oder flüssigem Helium erreichen kann. Unter Ausnutzung einer besonderen Eigenschaft, der so genannten "Frustration", die in einigen magnetischen Materialien vorkommt, bei denen die Spins nicht gleichzeitig die Orientierungen der anderen in einem Dreiecksgitter erfüllen können, demonstrierte das Team eine neuartige Methode, die die herkömmliche, von Seltenen Erden abhängige kryogene Kühltechnik ersetzt. Das entwickelte Material ist eine vielversprechende Lösung für den Mangel an flüssigem Helium sowie für die stabile Kühlung in der medizinischen Magnetresonanztomographie (MRT) und in Quantencomputern, für die ein weiterer Anstieg der Nachfrage erwartet wird. Dieses Forschungsergebnis wurde am 22. Dezember 2025 in der britischen Fachzeitschrift Scientific Reports veröffentlicht.
In den 1960er Jahren verwendeten GM-Kühler Blei (Pb) als Kältespeichermaterial, aber in den 1990er Jahren wurde die Seltene-Erden-Metallverbindung HoCu2 eingeführt, und die Kühlleistung verbesserte sich drastisch. Das in dieser Studie entwickelte Kältespeichermaterial CuFe0.98Al0.02O2 (CFAO), das frei von Seltenen Erden ist, hat eine vergleichbare Kühlleistung wie diese und führt zu nachhaltigen und umweltfreundlichen kryogenen Kühltechnologien, da das Material ausschließlich aus häufig vorkommenden Elementen besteht.
Noriki Terada, National Institute for Materials Science
Hintergrund
Die Technologie der kryogenen Kühlung, die vor allem in der medizinischen Kernspintomographie usw. eingesetzt wird, hatte das Problem, dass sie stark von flüssigem Helium und Seltenen Erden abhängig ist, deren Versorgung instabil ist und bei denen eine Erschöpfung der Ressourcen zu befürchten ist. So beträgt beispielsweise die Jahresproduktion von Holmium, das derzeit in Regeneratormaterialien verwendet wird, nur 100 Tonnen, und seine Reserven sind ungleichmäßig verteilt. Da erwartet wird, dass die Nachfrage nach Tieftemperaturkühlung in Zukunft erheblich steigen wird, bestand ein dringender Bedarf an der Entwicklung neuer Kühltechnologien, die nicht von solch knappen Ressourcen abhängig sind.
Die wichtigsten Ergebnisse
In dieser Studie gelang es einem gemeinsamen Forschungsteam von NIMS und dem National Institute of Technology (KOSEN), Oshima College, ein Regeneratormaterial für mechanische Kühler (Gifford-McMahon [GM]-Kühler) zu entwickeln, das in der Lage ist, ohne Verwendung von flüssigem Helium auf kryogene Temperaturen zu kühlen, und das keine Seltenerdmetallelemente enthält, sondern ein Material verwendet, das ausschließlich aus häufig vorkommenden Elementen wie Kupfer, Eisen und Aluminium besteht. Das Team wies nach, dass das Material eine hohe spezifische Wärme bei Tiefsttemperaturen aufweist, obwohl es aus einem Übergangsmetall besteht, indem es sich einen Effekt zunutze macht, der als "Frustration" bekannt ist und speziell bei magnetischen Materialien auftritt, die eine spezielle Kristallstruktur, das so genannte Dreiecksgitter, aufweisen, bei dem sich die Spin-Ausrichtungen nur schwer ausrichten lassen, bis sie Tiefsttemperaturen erreichen. Das Material erreichte eine vergleichbare Leistung wie herkömmliche Kühlmaterialien, die seltene Erden (Holmiumverbindungen) enthalten. Dies war das erste Mal, dass ein magnetisches Regeneratormaterial für Kühler, das keine Seltenen Erden enthält, eine praxisnahe Leistung zeigte.
Ausblick auf die Zukunft
Das in dieser Studie entwickelte Material für kryogene Kühlung verwendet reichlich Ressourcen und ist daher sehr nachhaltig und umweltfreundlich. Daher ist es vielversprechend für die Anwendung der kryogenen Kühlung in der medizinischen MRT und in Quantencomputern, für die eine weiter steigende Nachfrage erwartet wird.
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