Eine Wärmepumpe funktioniert eigentlich wie ein Kühlschrank, nur umgekehrt: So entzieht sie nicht einem Innenraum Wärme, um die dort gelagerten Lebensmittel zu kühlen, sondern nimmt die Wärme aus der Umwelt, um einen Innenraum, zum Beispiel Wohnräume, zu heizen. Die Technologie hierbei basierte bisher auf nicht sonderlich effizienten Dampfkompressionsverfahren, bei denen ein umweltschädliches Kältemittel zum Einsatz kam. Die elektrokalorische Festkörper-Wärmepumpe der Forschenden aus Luxemburg hingegen erzeugt Wärme direkt aus Strom und kommt dadurch ohne Kompressor und Kühlmittel aus. Das Geheimnis der hohen Effizienz der neuen Wärmepumpe ist eine einzigartige Verbindung aus Blei, Scandiumoxid und Tantalat. Es handelt sich dabei um ein kalorisches Material, also eine Metallverbindung, die in einem magnetischen oder elektrischen Feld bzw. durch mechanische Verformung ihre Temperatur ändert.
Scandiumoxid ermöglicht Durchbruch bei Kühltechnologie
Werden Wärmepumpen bald umweltfreundlicher und effizienter?
Blei-Scandiumoxid-Tantalat erhitzt sich, wenn man Strom durchleitet, und kühlt ab, wenn die Stromzufuhr stoppt. Um die Temperaturänderung energetisch zu nutzen, haben die Forschenden Elemente aus dem Material zwischen zwei Flüssigkeitskreisläufe angebracht, von denen einer erwärmt und einer abgekühlt wird. Dabei fielen ihnen wahrhaftig wunderliche Effizienzsteigerungen auf: So kam die kalorische Wärmepumpe auf 64 % des möglichen Wirkungsgrads. Gewöhnliche Wärmepumpen erreichen materialbedingt nur 50 % oder 30 %. Auch gegenüber magnetfeldbasierten oder mit mechanischer Verformung arbeitenden Festkörper-Wärmepumpen bringt das elektrokalorische System Vorteile. Da der Strom direkt durch das Material fließt, werden keine weiteren Geräte benötigt, die Magnetfelder erzeugen oder mechanische Kraft ausüben.
Scandiumoxid unverzichtbar für Energie- und Verkehrswende
Scandiumoxid ist ein für die Zukunft wichtiger Rohstoff, da diese Seltene Erde in vielen Schlüsseltechnologien verbaut wird. Als Teil leichter Legierungen spielt es eine immer größere Rolle beim Autobau, vor allem in China (wir berichteten).
Vor allem aber braucht man für die Produktion grünen Wasserstoffs große Mengen an Scandiumoxid, wodurch die Nachfrage voraussichtlich stark steigen wird. (wir berichteten). Eine Investition in diese besondere Seltene Erde ist daher sicher eine Überlegung wert.