[신기술] 2028년 '일제 냉장고'가 세계를 휩쓴다…? '자석이 식히는' 충격적 기술을 실현시킨 의외의 재료

[お持て成し]

2028년 '일제 냉장고'가 세계를 휩쓴다…? '자석이 식히는' 충격적 기술을 실현시킨 의외의 재료 / 9/26(목) / 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. 

새롭게 개발이 진행되고 있는 고체냉동에 의한 냉장고는, 무려 자석에 의해서 식힌다, 라고 하는 혁명적인 기술입니다(전반은 이쪽). 온실 효과 가스인 「프론가스」를 사용하지 않는 것은 물론, 에너지 효율도 현격히 뛰어나다고 하는 장점도 있다고 합니다. 이번에는, 신경이 쓰이는 지갑 속에도 직결되는 또 하나의 장점을 소개해 드리겠습니다.

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

◇ 자기냉동은 '좋은 것 투성이'
 
소개한 자기냉동 사이클*에는 프레온가스를 사용하지 않는 이점이 있다. 그러나, 이 「고체=자석에 의한 냉동」에는, 그 밖에도, 증기 압축에는 없는 이점이 있다고 후지타 씨는 말한다. 

*전반 기사(고체=자석에 의한 냉동 구조): 장대한 '신형 냉장고'…! '자석이 물건을 식히는' 충격의 신기술
https://cafe.daum.net/5577/Up9t/2232?svc=cafeapi

「증기 압축의 사이클에서는, 도중에 아무래도 기체와 액체가 혼재하는 상태가 생깁니다. 그것을 압축하여 균등하게 열을 운반하도록 컨트롤하는 것은 어렵고, 에너지 효율을 희생할 수 밖에 없습니다. 하지만 고체라면 그런 혼재가 발생하지 않기 때문에 효율을 높일 수 있습니다」 

냉각 효율이 높아지면 에너지 절약에도 연결되어 환경에 대한 부하는 보다 저감된다. 심지어 이런 이점도 있다.

「증기 압축으로 냉매가스를 압축하기 위해 필요한 장치(컴프레서)는 작동 중 진동음이 작지 않습니다. 그 점, 자성체의 자기장을 바꾸는 것은 적은 진동으로 조용히 할 수 있습니다. 상황에 맞춘 온도의 미세 조정도, 증기 압축보다 연속적이고 스마트하게 할 수 있습니다(그림 「히트 펌프 데모기」)」. 

[사진] 히트펌프 데모기. 후지타 씨의 실험실에서 조용히 자기에 의한 냉동 사이클을 반복하는 시연기

논프론하고, 에너지 절약하고, 조용하고, 게다가 스마트! 자기 냉동은 좋은 것뿐이다. 우리 집도 내일부터 그쪽으로 바꾸고 싶을 정도다. 

◇ '거꾸로 하는' 연구가 대발견에 도움이 되었다
 
그렇다고 해도, 실제의 냉장고에서 자기 냉동을 실현하는 것은, 아직 간단하지 않은 것 같다. 이 사이클에 사용할 수 있는 자성체 재료에는 상당히 까다로운 조건이 있기 때문이다. 

「인간이 변화를 느낄 만큼의 자기열량 효과를 가지려면 약간의 온도 변화로 갑자기 자력이 사라져 엔트로피가 높아지는 자성체를 사용해야 합니다. 하지만 대부분의 자성체는 자력이 줄어들기 시작하고 완전히 사라질 때까지의 온도의 폭이 넓기 때문에 그러한 효과는 얻을 수 없습니다. 냉장고에서 실용화하려면 좁은 온도 폭에서 확 자력이 사라지는 자성체 재료를 찾아야 합니다」 

사실 그 귀중한 재료를 발견한 것이 후지타 씨 등의 연구 그룹이었다!는 것이다.

하지만, 의외로, 후지타 씨는 처음부터 자기 냉동에 사용하기 위한 재료를 찾고 있던 것은 아니라고 한다. 「이른바 세렌디피티입니다」라고 후지타 씨는 말한다. 자석 연구가 냉장고와 연결된 것은 뜻밖의 우연이었다는 것이다. 

「기본적으로 우리 연구 분야에서 요구되는 것은 당연히 강한 자석, 안정성이 높은 자석의 개발입니다. 온도가 조금 바뀐 정도로 자력을 잃어 버리는 것은, 너무 불안정해서 쓸모가 없는 것이니까요. 

하지만 안정적인 자석을 만들기 위해서는 어떻게 하면 불안정해지는지 알 필요가 있습니다. 그래서 그걸 콕콕 찌르고 연구를 하다 보니까 실온 수준에서도 약간의 온도 변화로 급격하게 자력을 잃는 재료가 발견이 된 거예요. 2000년 전후의 일입니다」 

온도가 조금만 바뀌어도 떨어져 버리는 자석으로는 냉장고를 게시판으로 만들 수 없기 때문에 곤란하다. 하지만, 그런 쓸모없는 자석을 추구하는, 이른바 「거꾸로 된」 연구가, 냉장고의 「본업」에 도움이 된 것이다. 

◇ 실용화를 가속화시킨 브레이크 스루
 
실은, 그 바로 같은 무렵에, 자기 냉동에 관련되는, 어떤 문제가 해결되려고 하고 있었다. 그 이전부터, 절대 영도(약 마이너스 273℃)에 가까운 극저온을 다루는 물리학의 분야에서는 자기 냉동 기술이 사용되고는 있었지만, 그것을 냉장고와 같은 실온 레벨에서 실용화하려면, 어떤 과제를 클리어 할 필요가 있었다.

「극저온 상태와 달리 실온의 경우 자성체에 열이 차요. 고체가 가진 열의 일부는 원자의 격자 진동(원자가 각각의 안정된 위치 주변에서 행하는 미소한 진동)에서 유래하는데, 이 열은 자기장을 바꿔도 변하지 않습니다. 그것이 온도를 말하자면 "바닥 올리기" 해 버리기 때문에 자기장에 의해 열을 변화시켜도 인간이 느낄 정도의 변화가 되지 않습니다」 

이 문제를 해결하기 위해 역시 2000년 전후에 나온 것이 자기냉동 사이클이라는 아이디어였다. 후지타 씨가 발견한 재료는 실온 레벨에서 변화하는 성질을 가지고 있었기 때문에, 마침 그 냉동 사이클에 사용할 수 있었던 것이다. 

「냉동 사이클 기술과 자성체의 재료라고 하는 2개의 분야에서, 우연히 같은 타이밍에 브레이크 스루가 일어난 것으로, 실용화를 향한 움직임이 단번에 진행되었습니다. 국제자기냉동학회가 출범한 것도 그 무렵입니다」 

◇ 안전성, 비용, 공급 안정성… 까다로운 조건을 충족한 재료
 
그 당시에는 후지타 씨 등이 발견한 것도 포함해 자성체 재료 후보는 여럿 있었다. 그러나 그 중에는, 인이나 비소의 화합물을 포함하는 것도 있어, 식품을 취급하는 냉장고에서는 사용하기 어려웠다. 안전성 외에도 비용과 공급의 안정성 등 실용화 과제는 여럿 있었다. 후지타 씨 등이 발견한 재료는 그것들을 클리어하고 살아남았다.

「우리가 개발한 자성체는 랜턴·철·실리콘을 결합한 것입니다. 랜턴은 산출량이 적은 희토류(Rare earth elements)입니다만, 구성 원소의 약 90%는 철이므로 비용이나 공급 면에서의 문제는 없습니다. 그리고 철은 인체의 구성요소이기도 하기 때문에 안전합니다」

이런 희토류·철·경원소를 조합한 자석은 드문 것이 아니라고 한다. 예를 들어, 지금 실용화되고 있는 자석 중에서는 최강으로 여겨지고 있는 네오디뮴 자석. 발명한 사가와 마사토 씨는 노벨상 후보로서도 이름이 거론되고 있지만, 이 자석도 희토류의 네오디뮴과 철과 경원소의 보론(붕소)을 조합한 것 같다. 

「세계 최강의 자석도, 온도 변화로 급격히 자력을 잃는 자석도 이 세 가지 조합으로 만들어진다는 게 재미있는 점이죠」

◇ 돌다리를 두드리는 것보다 우선 세상에 내놓고 싶다
 
이렇게 해서, 2000년경을 경계로 단번에 본격화한 감이 있는 자기 냉동 냉장고의 개발이지만, 그 실용화는 언제가 되는 것일까. 우리 집에도 교체 타이밍이 있어서 신경이 쓰이는 부분이다. 

「지금 제조업체와 함께 개발을 진행하고 있지만 워낙 기존 냉장고와는 발상이 완전히 다르기 때문에 해결해야 할 과제가 많습니다. 자성체를 어떻게 탑재하면 효율적으로 열교환할 수 있는지에 시작해 애초 냉동기 모양은 무엇이 최선인지도 아직 모르는 상황입니다」 

「예를 들어 현재는 자성체 시료를 분말로 만들어 시험을 하고 있습니다만(그림 '자성체 시료') 실제로 냉동기기를 짤 때는 부정형 알갱이를 난잡하게 채우면 다소 효율이 나빠집니다. 그 때문에, 시료의 분말을 굳혀 디자인 설계해, 「베드」라고 불리는 유로(流路)를 만드는 연구도 진행하고 있습니다. 이 베드의 유로 설계는 세계적으로도 중요한 개발 대상이 되고 있습니다」 

【사진】 자성체의 시료. 시료의 분말(왼쪽)과 시료보존용 터퍼(오른쪽). 자성체의 시료는 미세한 분말이므로 날아가지 않도록 고안된 터퍼에 넣어둔다

후지타 씨는 그렇게 말한 뒤, 말에 힘을 주었다.

「다만 지금은 SDGs를 포함해 환경문제에 대한 사회적 요청도 있기 때문에 시간을 많이 들이고 싶지는 않습니다. 프레온 삭감이나 온난화 방지는 정치적으로도 큰 테마이기 때문에 순풍도 불고 있습니다. 2028년쯤에는 시장에 인지되는 것을 구체적으로 보여주고 싶어요」  

오, 그렇게 빨리⁉

「일본의 제품 개발은 옛날부터 신중한 점이 있어 차분히 검토해 문제가 없는 것을 확인하고 세상에 내보내는 것이 기존 방식이었습니다. 

근데 그러면 순풍을 못 살릴 수도 있어. 서양처럼 일단 형태를 갖춰 세상에 내놓은 뒤 더 다듬고 개량하는 방식도 있을 수 있다고 생각합니다」 

후지타 씨의 꿈이 실현되면, 전세계의 가정용 냉장고가 교체되게 될지도 모른다. 그때까지 우리 집 냉장고가 고장 나지 않기를 바라며 새 시대의 냉장고가 시원하게 등장할 날을 고대하기로 하자. 

https://gendai.media/articles/-/138136?imp=0

2028年「日本製冷蔵庫」が世界を席捲する…？「磁石が冷やす」衝撃的技術を実現させた意外な

2028年「日本製冷蔵庫」が世界を席捲する…？「磁石が冷やす」衝撃的技術を実現させた意外な材料

ブルーバックス探検隊

深川 峻太郎
フリーライター
「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」の全面協力のもと刊行された『「あっぱれ！ 日本の新発明　世界を変えるイノベーション』より厳選おもしろ発明をご紹介します。

新たに開発が進んでいる固体冷凍による冷蔵庫は、なんと磁石によって冷やす、という革命的な技術です（前半はこちら）。温室効果ガスである「フロンガス」を使用しないのはもちろん、エネルギー効率も格段に優れているというメリットもあるそうです。今回は、気になるお財布の中にも直結するもう一つのメリットをご紹介しましょう。

【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。

磁気冷凍は「いいことずくめ」
ご紹介した磁気冷凍のサイクル*には、フロンガスを使わない利点がある。しかし、この「固体=磁石による冷凍」には、ほかにも、蒸気圧縮にはない利点があると藤田さんは言う。

＊前半の記事（固体=磁石による冷凍のしくみ）：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

「蒸気圧縮のサイクルでは、途中でどうしても気体と液体が混在する状態が生じます。それを圧縮して均等に熱を運ぶようにコントロールするのは難しく、エネルギー効率を犠牲にせざるをえないのです。しかし固体なら、そのような混在が発生しないので、効率を上げることができます」

冷却効率が上がれば省エネにもつながり、環境への負荷はより低減される。さらには、こんな利点もある。

「蒸気圧縮で冷媒ガスを圧縮するために必要な装置（コンプレッサー）は、作動中の振動音が小さくありません。その点、磁性体の磁場を変えることは、少ない振動で静かにできます。状況に合わせた温度の微調整も、蒸気圧縮より連続的でスマートにできます（図「ヒートポンプデモ機」）」。

【写真】ヒートポンプデモ機ヒートポンプデモ機。藤田さんの実験室で、静かに磁気による冷凍サイクルを繰り返すデモンストレーション機
ノンフロンで、省エネで、静かで、おまけにスマート！　磁気冷凍はいいことずくめだ。わが家も明日からそっちに切り替えたいぐらいである。

「逆張り」の研究が大発見に役立った
とはいえ、実際の冷蔵庫で磁気冷凍を実現することは、まだまだ簡単ではないらしい。このサイクルに使える磁性体の材料には、かなり厳しい条件があるからだ。

「人間が変化を感じられるだけの磁気熱量効果を生むには、わずかな温度変化で急に磁力が消えて、エントロピーが高まる磁性体を使う必要があります。でも、ほとんどの磁性体は磁力が減りはじめてから完全に消えるまでの温度の幅が広いので、そういう効果は得られません。冷蔵庫で実用化するには、狭い温度幅でパッと磁力が消える磁性体の材料を探す必要があるのです」

じつは、その貴重な材料を発見したのが、藤田さんらの研究グループだった！　というわけなのである。

が、意外なことに、藤田さんは最初から磁気冷凍に使うための材料を探していたのではないそうだ。「いわゆるセレンディピティなんですよ」と藤田さんは言う。磁石の研究が冷蔵庫と結びついたのは、思いがけない偶然だったというのだ。

「基本的に私たちの研究分野で求められるのは、当然ながら、強い磁石、安定性の高い磁石の開発です。温度が少し変わったぐらいで磁力を失ってしまうようでは、不安定すぎて使い物にならないわけですから。

でも、安定した磁石をつくるためには、どうしたら不安定になるのか、ということも知る必要があります。そこで、それを突きつめて研究していたら、室温レベルでもわずかな温度変化で急激に磁力を失う材料が見つかったんです。2000年前後のことでし
た」

ちょっと温度が変わっただけで落ちてしまうような磁石では、冷蔵庫を掲示板にできないので困る。だが、そんな役立たずの磁石を追求する、いわば「逆張り」の研究が、冷蔵庫の「本業」に役立つことになったのだ。

実用化を加速させたブレイクスルー
じつは、そのちょうど同じ頃に、磁気冷凍に関わる、ある問題が解決されようとしていた。それ以前から、絶対零度（約マイナス273℃）に近い極低温を扱う物理学の分野では磁気冷凍技術が使われてはいたのだが、それを冷蔵庫のような室温レベルで実用化するには、ある課題をクリアする必要があった。

「極低温の状態と違い、室温の場合は、磁性体に熱が溜まるんです。固体がもつ熱の一部は原子の格子振動（原子がそれぞれの安定な位置の周辺でおこなう微小な振動）に由来するのですが、この熱は磁場を変えても変わりません。それが温度をいわば“底上げ”してしまうので、磁場によって熱を変化させても、人間が感じられるほどの変化にならないんです」

この問題を解決するために、やはり2000年前後に出てきたのが、磁気冷凍サイクルというアイデアだった。藤田さんが発見した材料は室温レベルで変化する性質をもっていたので、ちょうどその冷凍サイクルに使うことができたのだ。

「冷凍サイクル技術と磁性体の材料という2つの分野で、たまたま同じタイミングでブレークスルーが起きたことで、実用化へ向けた動きが一気に進んだんです。国際磁気冷凍学会が立ち上がったのも、その頃です」

安全性、コスト、供給安定性…厳しい条件をクリアした材料
その当時は、藤田さんらが発見したものも含めて、磁性体の材料候補はいくつもあった。しかしそのなかには、リンやヒ素の化合物を含むものもあり、食品を扱う冷蔵庫では使いにくかった。安全性のほかにも、コストや供給の安定性など、実用化への課題はいくつもあった。藤田さんらの発見した材料は、それらをクリアして生き残った。

「われわれが開発した磁性体は、ランタン・鉄・シリコンを組み合わせたものです。ランタンは産出量が少ない希土類（レアアース）ですが、構成元素のおよそ9割は鉄なので、コストや供給の面での問題はありません。そして鉄は人体の構成要素でもあるので、安全です」

このような希土類・鉄・軽元素を組み合わせた磁石は、珍しいものではないという。たとえば、いま実用化されている磁石のなかでは最強とされているネオジム磁石。発明した佐川眞人氏はノーベル賞候補としても名前が挙がっているが、この磁石も希土類のネオジムと、鉄と、軽元素のボロン（ホウ素）を組み合わせたものらしい。

「世界最強の磁石も、温度変化で急激に磁力を失う磁石も、この3つの組み合わせでつくれるというのが面白いところですね」

石橋を叩くより、まずは世に出してみたい
こうして、2000年頃を境に一気に本格化した感のある磁気冷凍冷蔵庫の開発だが、その実用化はいつになるのだろうか。わが家にも買い替えのタイミングがあるので、気になるところだ。

「いま、メーカーと一緒に開発を進めているところですが、なにしろ従来の冷蔵庫とは発想がまったく違うので、解決すべき課題がたくさんあります。磁性体をどのように搭載すれば効率よく熱交換できるか、に始まり、そもそも冷凍機の形は何がベストなのかも、まだわからない状況です」

「たとえば、現在は磁性体の試料を粉末にして試験をしていますが（図「磁性体の試料」）、実際に冷凍機器を組むときは、不定形の粒を乱雑に詰めると、やや効率が悪くなります。そのため、試料の粉末を焼き固めてデザイン設計し、『ベッド』と呼ばれる流路をつくる研究も進めています。このベッドの流路設計は、世界的にも重要な開発対象となっています」

【写真】磁性体の試料磁性体の試料。試料の粉末（左）と試料保存用のタッパー（右）。磁性体の試料は微細な粉末なので、吹き飛ばないように工夫されたタッパーに入れておく
藤田さんはそう言ったあと、言葉に力を込めた。

「ただ、いまはSDGsを含めて環境問題への社会的な要請もありますから、あまり時間をかけたくはありません。フロン削減や温暖化防止は政治的にも大きなテーマなので、追い風も吹いています。2028年ぐらいには、市場に認知されるものを具体的な形で示したいですね」

おお、そんなに早く⁉

「日本の製品開発は昔から慎重なところがあって、じっくり検討して問題がないことを確認してから世に送り出すのが従来のやりかたでした。

でも、それでは追い風を生かせなくなるかもしれない。欧米のように、とりあえず形にして世に出してから、さらにブラッシュアップしていくというやりかたもありうると思っています」

藤田さんの夢が実現すれば、世界中の家庭用冷蔵庫が買い替えられることになるかもしれない。そのときまで、わが家の冷蔵庫が故障しないことを祈りつつ、新時代の冷蔵庫が颯爽と登場する日を楽しみに待つことにしよう。