[신기술] 신기술 '신형냉장고'…! '자석이 물건을 식힌다' 충격의 신기술

[お持て成し]

신기술 '신형냉장고'…! '자석이 물건을 식힌다' 충격의 신기술 / 2024.01.26 / 블루백스 탐험대 / 후카가와슌타로우(프리라이터)

'식히는 메커니즘'을 뿌리부터 뒤집는 냉장고, 의외의 물고기 덕분에 완성된 고온에서도 만지는 벽돌 등 왜 만들어진 것인가? 어떻게 작용하는가? 라고 저도 모르게 머리를 갸우뚱하게 만드는 깜짝 발명의 여러 가지를 소개해 온, 본 사이트 인기 연재 「찾아라! 재미있는 연구! 블루백스(bluebacks) 탐험대가 간다」. 

무려 1세기 반 가까이에 걸쳐 일본의 산업을 지탱해 온 「산업기술종합연구소」의 전면 협력 하에 간행된 「장하다! 일본의 신발명 세계를 바꾸는 이노베이션」에서 엄선 재미있는 발명을 소개합니다.

이번에는 식히는 메커니즘을 근본적으로 바꾸는 자기를 이용한 냉동 기술을 소개하겠습니다! 무려 이 기술을 사용한 '혁명적인 냉장고'가 실용화를 위해 차근차근 개발이 진행되고 있다고 합니다.

* 이 기사는 장하다! 일본의 신발명 세계를 바꾸는 이노베이션」(bluebacks)을 발췌·재편집한 것입니다.

◇ 냉장고 본업에 혁명이 일어나려 한다
 
어느 가정이나 그렇겠지만 냉장고는 종종 게시판 역할을 겸한다. 세금납부서, 인근 공사공지, 이벤트 티켓, 그리고 얼마 전까지는 코로나19 백신 쿠폰 등 일단 자석으로 붙여놓기에 냉장고는 편리하다. 냉장고가 있는 곳에 자석이 있다. 양자는 매우 궁합이 좋다. 

그렇다고 해도 게시판은, 어디까지나 냉장고의 「부업」이다. 그런데 자석이 지금, 냉장고의 「본업」에도 도움이 되려고 하고 있다, 라고 하는 정보를 캐치했다. 그것도 「자기 냉동」이라고 하는 파괴적 이노베이션에 의해서, 냉장고의 역사가 크게 바뀌려고 하고 있다는 것이다. 

일찍이 전자제품의 「3종의 신기」의 하나로서 전후 경제성장을 지탱한 냉장고에, 만약 그러한 「혁명」이 일어난다면, 그 임팩트는 매우 큰 것이 될 것이다. 과연 정말 그런 일이 일어날 수 있을까? 

우리 블루백스 탐험대는 정보의 진위를 확인하기 위해 그런 연구를 하고 있다는 인물을 찾아 이야기를 들으러 갔다. 아이치현은 나고야시에 있는 산업기술 종합연구소·중부 센터의 자성분말야금연구센터에서, 엔트로픽스 재료 팀장을 맡고 있는 후지타 아사야 씨다. 

◇ 냉장고는 왜 「차가워진다」는 것일까?
 
신기술의 의의를 이해하기 위해서, 우선 우리는, 원래 냉장고가 왜 「차가워진다」인지를 알아야 한다. 이야기는 거기서부터다.
　
사실, 현재의 냉장고가 차가워지는 것은 「증기 압축」이라고 하는 기본 원리 덕분이다. 후지타 씨에 의하면, 이 원리를 최초로 발견한 것은, 전자기학의 주역의 한 사람이며, 명저 「촛불의 과학」으로도 알려진, 그 마이클·패러데이라고 한다. 19세기 이야기다.

「액체가 기화될 때 주위의 열을 흡수합니다. 이게 기화열이에요. 이 기체를 압축하면 온도가 올라가 흡수한 열이 밖으로 버려집니다. 이를 이용하여 20세기 초에 발명된 것이 바로 전기냉장고입니다. 기화된 가스가 열을 마셔 실내의 온도를 낮추고, 그것을 압축기로 압축, 컴프레서로 액화해 밖으로 열을 버리고, 액체를 다시 실내에서 기화시키는 사이클입니다」(후지타 씨) 

전기 냉장고가 이러한 사이클로 물건을 「차게 한다」라고 하는 기본적인 구조는, 200년전부터 변하지 않았다고 한다.

하지만, 20 세기도 끝 무렵이 되면, 환경 문제가 지적되기 시작해, 이 냉각 사이클에 사용하는 가스, 이른바 「냉매 가스」는 검토를 강요당했다. 그때까지 사용되던 프레온은 대기에 누출되면 오존층을 파괴한다고 여겨져 선진국에서는 생산이 중지된다. 그 후에는 대체 프레온의 개발·이용이 진행되었지만, 그것들도, 지구 온난화의 원인이 되는 온실 효과가 이산화탄소의 몇배나 큰 것을 알게 되었다. 

「이제 대체 프레온도 없애자는 것이 세계적인 추세입니다. 하지만 그것을 대체할 냉매가스가 좀처럼 발견되지 않는다. 냉각 능력이 있어도 가격이 비싸거나 성질이 불안정하여 10년도 지나지 않아 상태가 바뀌어 버리거나 합니다. 지금 국내 가정용 냉장고에서 사용되고 있는 가스도 미연성이 있는 것이 문제입니다. 일상적인 수준에서는 안전기준을 충족하기는 하지만 대량으로 모아서 불을 붙이면 타는 것입니다」 

그런 가스는 사용하지 않아도 된다면 그 편이 좋을 것이 틀림없다. 이렇게 해서 기체와 액체를 사용하는 증기 압축과는 근본적으로 원리가 다른 방법이 논의되게 되었다. 전기 냉장고가 탄생한 지 200년이 지나 비로소 게임 체인지의 기운이 생겨난 것이다. 그리고 생각해 낸 것이, 「고체 냉동」이라고 하는 방법이었다고 한다. 

◇ 자석과 온도의 의외의 관계
 
'고체를 사용하여 차게 한다'는 것은 도대체 어떤 것일까? 고체이기 때문에 물론 기화열과는 관계가 없다는 것 정도는 알지만…. 여기서 등장하는 것이, 그때까지 냉장고의 「부업」의 도움을 주는 존재에 지나지 않았던 자석이다. 

실은, 자석에는 「온도가 올라가면 자력이 약해진다」라고 하는 성질이 있다. 액체가 어떤 온도를 넘으면 기체가 되는 것과 마찬가지로, 자석의 온도가 어떤 경계선을 넘으면, 자기가 상실되는 것이라고 한다. 조금 어려운 말을 사용하면, 「강자성체」(자력이 강한 자석)의 온도가 올라가면 「상자성체」(자력이 굉장히 약한 자석)로 변화한다, 라고 하는 것이 된다. 

「강자성체가 자력을 가지는 것은, 전자가 회전하는 방향이 갖추어져 있기 때문입니다. 전선을 빙빙 감은 코일에 전기를 흘려 보내면, 원전류(전자의 원운동)로부터 자력이 생겨 전자석이 됩니다. 1개의 전자라도, 회전하면 자력이 발생합니다(그림 「원전류와 자력의 관계」). 이 때문에, 전자에는 각각 N극과 S극이 있습니다. 그러나, 매크로인 물체에서는 많은 전자의 N극과 S극이 제각각인 방향을 향하고 있기 때문에, 자력이 서로 무마합니다. 이 상태에 있는 것이 상자성체입니다」 

물체 내 전자의 방향이 갖추어지면 그 물체 전체가 강자성체, 이른바 자석이 된다. 그러나 강자성체의 온도가 올라가면 가지런히 놓여 있던 전자의 방향이 서서히 갈라져 자력이 상실돼 상자성체가 된다. 즉 거의 자석이 아니게 된다.

[그림] 원전류와 자력의 관계. 전선을 감은 코일에 전기를 흘려보내면 엔전류(전자의 원운동)로부터 자력이 생겨 전자석으로

이 강자성체가 상자성체로 바뀌는 경계선이 되는 온도를 '퀴리 온도'라고 한다. 퀴리는 그 유명한 부인 쪽이 아니라 그 남편 피에르 퀴리의 이름을 딴 것이다.

◇ '증기의 사이클'에서 '자기의 사이클'로
 
「물질에 따라 끓는 점이 다르듯이 퀴리 온도도 물체에 따라 다릅니다. 여러분들이 냉장고에 메모를 붙이고 있는 것 같은 자석은 퀴리 온도가 굉장히 높기 때문에 일상 수준의 실온에서 뚝뚝 떨어질 일은 없습니다. 하지만 퀴리 온도가 실온에 가까운 자성체라면 그런 현상도 볼 수 있을 겁니다」 

인터넷으로 찾아보니 일반적인 자석 재료인 철은 퀴리 온도가 약 770℃라고 한다. 확실히, 적어도 우리 집의 일상 수준의 실온보다는 상당히 높다. 

「액체가 기체가 될 때 열을 마시는 것도 느슨하게 결합했던 분자가 흩어지기 때문입니다. 즉 분자든, 전자든 질서 있는 것이 조각날 때 열 변화를 일으키는 거죠. 그 각각의 상태를 열역학에서는 '엔트로피'라고 부르고 있습니다. 흩어지면 엔트로피가 높아져 열을 흡수하는 셈이죠」 

퀴리 온도를 넘어 전자가 조각난 상자성체는 자기장을 잃고 대신 증가한 엔트로피를 열로 흡수한다. 이 현상을 자기열량 효과라고 한다. 기화된 가스가 주위의 열을 흡수하는 것과 같다. 반대로 상자성체의 전자 방향이 가지런히 자기장을 얻으면 압축돼 액화한 가스와 마찬가지로 열을 밖으로 버린다. 

즉, 증기압축에서 말하는 기화(증발)는 자석이 상자성체가 될 때에 해당하고, 액화는 강자성체가 될 때에 해당한다(그림 '두 냉각방식의 비교'). 그래서 자석으로 냉장고가 만들어지는 것이다! 

【그림】 증기 압축과 자기 냉동, 두 가지 냉각 방식의 비교. 증기 압축(위)은 냉매 가스를 압축·팽창시킨다. 자기냉동(아래)은 전자의 방향을 바꿀 뿐이므로 컴프레서가 필요 없음

그러나, 후지타 씨에 의하면, 이 자기 냉동의 사이클에는, 프레온 가스를 사용하지 않는 것 외에도, 증기 압축에는 없는 이점이 있다고 한다. 어떤 이점이 있을까?

https://gendai.media/articles/-/123323?imp=0

あっぱれ「新型冷蔵庫」…！なんと「磁石が物を冷やす」衝撃の新技術（ブルーバックス探検

あっぱれ「新型冷蔵庫」…！なんと「磁石が物を冷やす」衝撃の新技術

ブルーバックス探検隊

深川 峻太郎
フリーライター

あの人気シリーズが本になった！

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「冷やすメカニズム」を根底から覆す冷蔵庫、意外な魚のおかげで完成した高温でも触れるレンガなど、なぜできたの？　どうやって働くの？　と、思わず頭をかしげてしまうようなびっくり発明の数々をご紹介してきた、本サイト人気連載「さがせおもしろ研究！ ブルーバックス探検隊が行く」。

なんと、1世紀半近くにもわたって日本の産業支えてきた「産業技術総合研究所」の全面協力のもと、この度、『「あっぱれ！ 日本の新発明　世界を変えるイノベーション』として刊行されました！　それを記念して、厳選おもしろ発明をご紹介します。

今回は、冷やすメカニズムを根底から変える、磁気を利用した冷凍技術をご紹介しましょう！　なんと、この技術を使った「革命的な冷蔵庫」が、実用化に向けて着々と開発が進んでいるそうです。

【書影】あっぱれ！　日本の新発明
＊本記事は、『「あっぱれ！ 日本の新発明　世界を変えるイノベーション』（ブルーバックス）を抜粋・再編集したものです。

冷蔵庫の「本業」に「革命」が起きようとしている
どこのご家庭もそうだと思うが、冷蔵庫はしばしば「掲示板」の役割を兼ねている。税金の納付書、近隣の工事のお知らせ、イベントのチケット、そしてこの間までは新型コロナウイルスワクチンのクーポン券など、とりあえず磁石で貼りつけておくのに冷蔵庫は便利だ。冷蔵庫あるところに磁石あり、である。両者はとても相性がよい。

とはいえ掲示板は、あくまでも冷蔵庫の「副業」である。ところが、磁石がいま、冷蔵庫の「本業」にも役立とうとしている、という情報をキャッチした。それも「磁気冷凍」という破壊的イノベーションによって、冷蔵庫の歴史が大きく書き換えられようとしているというのだ。

かつて電化製品の「三種の神器」の一つとして戦後経済成長を支えた冷蔵庫に、もしそんな「革命」が起これば、そのインパクトはきわめて大きなものとなるだろう。はたして本当にそんなことが起こるのか？

われわれブルーバックス探検隊は情報の真偽を確かめるべく、そんな研究をしているという人物を探し当て、話を聞きにいった。愛知県は名古屋市にある産業技術総合研究所・中部センターの磁性粉末冶金研究センターで、エントロピクス材料チーム長をつとめる藤田麻哉さんだ。

【写真】藤田麻哉さん藤田麻哉さん
冷蔵庫はなぜ「冷える」のか？
新技術の意義を理解するために、まずわれわれは、そもそも冷蔵庫がなぜ「冷える」のかを知らねばならない。話はそこからだ。
　
じつは、現在の冷蔵庫が冷えるのは「蒸気圧縮」という基本原理のおかげである。藤田さんによれば、この原理を最初に発見したのは、電磁気学の立て役者の一人であり、名著『ロウソクの科学』でも知られる、あのマイケル・ファラデーだそうだ。19世紀の話である。

「液体が気化するとき、周囲の熱を吸収します。これが気化熱です。この気体を圧縮すると温度が上がり、吸収した熱が外に捨てられます。これを利用して20世紀初めに発明されたのが、電気冷蔵庫です。気化したガスが熱を吸って庫内の温度を下げ、それを圧縮機で圧縮、コンプレッサーで液化して庫外に熱を捨てて、液体を再び庫内で気化させるというサイクルです」（藤田さん）

電気冷蔵庫がこうしたサイクルで物を「冷やす」という基本的なしくみは、200年前から変わっていないそうだ。

だが、20世紀も終わり頃になると、環境問題が指摘されはじめ、この冷却サイクルに使用するガス、いわゆる「冷媒ガス」は検討を迫られた。それまで使われていたフロンは、大気に漏洩するとオゾン層を破壊するとされ、先進国では生産が中止される。その後は代替フロンの開発・利用が進んだが、それらも、地球温暖化の原因となる温室効果が二酸化炭素の何倍も大きいことがわかってきた。

「もはや代替フロンも撤廃しようというのが、世界的な流れになっています。でも、それに代わる冷媒ガスがなかなか見つからない。冷却能力があっても、価格が高かったり、性質が不安定で10年も経たずに状態が変わってしまったりするんです。いま国内の家庭用冷蔵庫で使われているガスも、微燃性があるのが問題です。日常レベルでは安全基準を満たしてはいるのですが、大量に集めて火をつければ燃えるんです」

そんなガスは、使わずに済むならそのほうがいいに決まっている。こうして、気体と液体を使う蒸気圧縮とは根本的に原理が異なる方法が議論されるようになった。電気冷蔵庫の誕生から200年が経って、初めてゲームチェンジの気運が生まれてきたのだ。そして考え出されたのが、「固体冷凍」という方法だったという。

磁石と温度の意外な関係
「固体を使って冷やす」とは、いったいどういうことなのか？　固体なのだから、もちろん気化熱とは関係ないことくらいはわかるが……。ここで登場するのが、それまで冷蔵庫の「副業」のお手伝いをする存在にすぎなかった磁石である。

じつは、磁石には「温度が上がると磁力が弱まる」という性質がある。液体がある温度を超えると気体になるのと同じように、磁石の温度がある境界線を超えると、磁気が失われるのだという。ちょっと難しい言葉を使うと、「強磁性体」（磁力が強い磁石）の温度が上がると「常磁性体」（磁力がすごく弱い磁石）に変化する、ということになる。

「強磁性体が磁力をもつのは、電子が回転する向きが揃っているからです。電線をぐるぐる巻きつけたコイルに電気を流すと、円電流（電子の円運動）から磁力が生じて電磁石になります。1個の電子でも、回転すると磁力が発生します（図「円電流と磁力の関係」）。このため、電子にはそれぞれN極とS極があります。しかし、マクロな物体ではたくさんの電子のN極とS極がバラバラな方向を向いているため、磁力が打ち消し合います。この状態にあるのが常磁性体です」

物体内の電子の向きが揃うと、その物体全体が強磁性体、いわゆる磁石になる。しかし強磁性体の温度が上がると、揃っていた電子の向きが徐々にバラバラになって磁力が失われ、常磁性体になる。つまりほとんど磁石ではなくなる。

【図】円電流と磁力の関係円電流と磁力の関係。電線を巻きつけたコイルに電気を流すと円電流（電子の円運動）から磁力が生じて電磁石にな

この、強磁性体が常磁性体に変わる境目となる温度を「キュリー温度」というそうだ。「キュリー」はあの有名な夫人のほうではなく、その夫、ピエール・キュリーさんにちなんだものだ。

「蒸気のサイクル」から「磁気のサイクル」へ
「物質によって沸点が違うように、キュリー温度も物体によって違います。みなさんが冷蔵庫にメモをくっつけているような磁石は、キュリー温度がすごく高いので、日常レベルの室温でポロリと取れることはありません。でもキュリー温度が室温に近い磁性体なら、そういう現象も見られるでしょう」

ネットで調べてみたら、一般的な磁石の材料である鉄は、キュリー温度が約770℃だという。たしかに、少なくともわが家の日常レベルの室温よりはかなり高い。

「液体が気体になるときに熱を吸うのも、ゆるゆると結合していた分子がバラバラになるからです。つまり分子であれ、電子であれ、秩序あるものがバラバラになるときに、熱変化を起こすんですね。そのバラバラ具合のことを、熱力学では『エントロピー』と呼んでいます。バラバラになるとエントロピーが高くなり、熱を吸収するわけです」

キュリー温度を超えて電子がバラバラになった常磁性体は、磁場を失い、その代わり増加したエントロピーを熱として吸収する。この現象を「磁気熱量効果」というそうだ。気化したガスが、周囲の熱を吸収するのと同じである。逆に、常磁性体の電子の向きが揃って磁場を得ると、圧縮されて液化したガスと同じように、熱を外に捨てる。

つまり、蒸気圧縮でいう気化（蒸発）は磁石が常磁性体になるときに相当し、液化は強磁性体になるときに相当する（図「二つの冷却方式の比較」）。だから磁石で冷蔵庫がつくれるのだ！

【図】蒸気圧縮と磁気冷凍、二つの冷却方式の比較二つの冷却方式の比較。蒸気圧縮（上）は冷媒ガスを圧縮・膨張させる。磁気冷凍（下）は電子の向きを変えるだけなのでコンプレッサーは不要
しかし、藤田さんによると、この磁気冷凍のサイクルには、フロンガスを使わないことのほかにも、蒸気圧縮にはない利点があるという。どんな利点があるのだろうか？