Het principe is simpel. In een koelinstallatie zorgt een magneet voor een magnetisch veld. Is de magneet aan en het veld actief, dan warmt een plaat van magnetocalorisch materiaal in de installatie op. Verbreek je het veld, dan koelt de plaat af. Dit gegeven is al veel langer bekend, maar de omstandigheden waren nog niet gunstig voor een praktische toepassing. Na twintig jaar onderzoek voldoet het magnetocalorisch materiaal aan de eisen voor grootschalige toepassing, zoals voldoende efficiëntie. Bovendien is een samenstelling van het materiaal gevonden die betaalbaar is voor commercieel gebruik. Dat maakt de weg vrij naar onder meer schone, zuinige koelkasten. “Een belangrijke ontwikkeling,” zegt Ekkes Brück. “Gewone koelkasten bevatten broeikasgassen én de compressoren verspillen veel energie. Aangezien maar liefst 30% van ons energieverbruik zit in koeling, bijvoorbeeld ook koeling voor servers, is er veel winst te behalen.”  

Totaal onverwachte vinding

Twintig jaar geleden was Brück eigenlijk op zoek naar iets heel anders. “We werkten aan een sensor voor datastorage. Het principe van reversibele dubbele magnetische faseovergangen leek ons daarvoor geschikt, dus reproduceerden we een onderzoek uit de literatuur. Alleen: we kregen hele andere resultaten! Juist doordat we zo’n ongebruikelijk en groot effect kregen, wilden we ermee verder. Dit effect had namelijk groot potentieel voor warmtepompen en koelen. Maar in de mix die we gebruikten zaten veel zeldzame aardmetalen. Ik dacht: dat kan ook simpeler, dat is goedkoper en legt minder druk op de aarde.”

Een beetje koppig

“De wetenschappers die het eerste niet reproduceerbare onderzoek deden, hielden vol dat wij waarschijnlijk de verkeerde mix hadden gebruikt,” herinnert Brück zich. “Gelukkig ben ik af en toe een beetje koppig, dus ik bleef proberen iedereen met argumenten te overtuigen. Ik wist zeker dat we op het goede spoor zaten. Niet dat we het meteen voor elkaar hadden, de eerste keer dat we arseen vervingen door silicium in de legering was het resultaat verschrikkelijk. Maar dankzij het jarenlange werk van een heel team hebben we nu een solide oplossing.” Brück kreeg in 2016 de FOM Valorisatie Prijs voor zijn fundamentele onderzoek en zijn visie op de toepasbaarheid ervan in de praktijk.

Licht aan het einde van de tunnel

Die basis was ook waarom Michael Maschek in 2015 overstapte naar de vakgroep van Brück. “Ik hou van fundamenteel onderzoek met licht aan het einde van de tunnel in de vorm van een applicatie. In Delft was er zelfs al een prototype, maar nog veel aanvullend onderzoek nodig, precies wat voor mij.” Maschek was ervaren in het werken met neutronen en kon dus een belangrijke rol spelen in het testen van het magnetocalorisch materiaal in de onderzoeksreactor van het Reactor Instituut Delft. Maschek: “Kijken naar materialen kan veel beter met neutronen dan met de veelgebruikte xray. Röntgenstraling maakt minder onderscheid tussen elementen die op elkaar lijken, neutronen zijn veel nauwkeuriger. Zo krijgen we veel meer detailinformatie over ons materiaal. Daarnaast is in het RID, als een van de weinige locaties, Mössbauer spectroscopie mogelijk, waarmee we magnetische eigenschappen goed kunnen onderzoeken.”

Uitgedaagd worden

Brück en Maschek hebben bij de ontwikkeling samengewerkt met verschillende industriële partners, zoals BASF. “Zo kom je een stap dichter bij toepasbaarheid,” vindt Brück, “en bovendien geven ze je feedback en dagen ze je uit. Zij weten wat je wel en niet kunt doen op de markt.” Bang om zijn kennis vrij te geven is hij niet. “Bij de universiteit geef je altijd informatie aan iedereen! Het mooie daar is juist dat je werkt met jonge mensen en dat een open discussie mogelijk is.” Ook Maschek waardeert het netwerk van de TU. “Als je de stap van fundamenteel naar toepasbaar wilt maken, heb je meerdere disciplines nodig. Naast de magnetocalorische plaat in het hart moet je ook nadenken over de machine eromheen. Hier kun je eenvoudig samenwerken met bijvoorbeeld mechanical engineers.”

Vertrouwen in startup Magneto

Sinds dit voorjaar is Maschek van de TU Delft overgestapt naar Magneto. Deze startup gaat de techniek naar de markt brengen. Er is al een eerste klant waarvoor een testmodel ontwikkeld wordt. “Ik heb best even getwijfeld over de overstap van fulltime fundamentele wetenschap naar een bedrijf,” vertelt Maschek. “Maar ik geloof in de techniek, en we zien dat anderen er ook in geloven. We hebben al verschillende fondsen en subsidies binnen, onder andere van de NWO take-off en van de EU EIT Climate-KIC. Daarnaast vind ik het leuk om steeds iets nieuws te leren, en nu krijg ik ook de businesskant erbij. Ik kan goed de fundamentele wetenschap vertalen voor leken, dat is bij Magneto hard nodig.” De grootste uitdaging op korte termijn is de opschaling van de magnetocalorische materialen. “In het onderzoek gebruiken we 5 tot 10 gram materiaal, in een warmtepomp of koelkast moet een grotere plaat. Het is vrij bros materiaal dus daar is onderzoek voor nodig.” Dat onderzoek vindt voorlopig plaats in het lab van Brück, die ook als adviseur verbonden blijft.

Een nieuwe energiebron aanboren

Voor Brück en Maschek is het belangrijk dat zij met hun vinding kunnen bijdragen aan de vergroening van de wereld. Maschek: “Sommige dingen in de wereld gaan niet zoals ik ze graag zou zien, en als wetenschapper heb je de kans om bij te dragen aan een oplossing. Duurzame oplossingen, zoals magnetocalorisch koelen, kunnen veel problemen wegnemen op economisch, maatschappelijk en politiek gebied.” “Ik heb mijn eigen huis van een D- naar een A-energielabel gebracht,” lacht Brück. “Maar serieus, dat mijn masterthesis al ging over thermo-elektrische effecten zegt genoeg. Ik wil meehelpen de wereld duurzamer te maken.” Ook daarom is hij zo enthousiast over de magnetocalorische techniek. “Het is bijvoorbeeld ook zeer geschikt om restwarmte in elektriciteit om te zetten. Die warmte van bijvoorbeeld fabrieken verdwijnt nu vaak gewoon. Stel je voor dat we die energiebron emissievrij optimaal kunnen benutten, dan zet je stappen!”

Samen resultaten boeken

Dat Brücks legering nu via Magneto ‘het huis uit gaat’, is mede het resultaat van Brücks volharding. “Natuurlijk ben ik een beetje trots,” zegt hij na enig aandringen. “Maar ik doe ook gewoon m’n werk. Ik ben vooral trots op ál die PhD-studenten en onderzoekers waar we dit samen mee hebben gedaan. Ik zoek altijd naar mensen die een beetje eigenwijs zijn, want als je alleen doet wat je baas zegt, bereik je niks. Maar je moet ook weer niet te eigenwijs zijn, om hulp vragen hoort er ook bij, samen kom je verder.” “Bij Magneto bouwen we op die gedachte voort,” vult Maschek aan. “Je moet als team met alle specialisten dezelfde taal leren spreken. Zo kun je je droom bereiken. Mijn droom? Over vijf jaar een groot lab in Delft en de eerste energiezuinige producten op de markt!” Brück werkt ondertussen aan stille en zuinige warmtepompen met dezelfde techniek. “Zodat we over een tijdje alle HR-ketels kunnen vervangen.”