磁気冷凍技術、冷媒なき冷却の勝負手

ヘリウムは宇宙で水素の次に豊富な元素です。宇宙全体の質量の約4分の1を占めています。しかし地球上では事情が正反対です。地殻や大気全体を見渡しても、ヘリウムはウランやトリウムが極めてゆっくりと放射性崩壊する際に残す副産物程度にしか存在せず、大気中に漏れ出た瞬間、その軽さゆえに地球の重力を振り切って宇宙へと永遠に飛び去ってしまいます。取り戻す方法はありません。燃やしても消え、拡散しても消えてしまう元素、そのため一度使えば二度と補充できない数少ない資源がヘリウムです。私たちが「宇宙にありふれた元素」と学んだそのヘリウムが、地球上ではまったく逆の境遇に置かれているわけです。

この事実が他人事ではない理由は、ヘリウムがパーティー風船よりもはるかに重要な分野で使われているからです。病院のMRIは超電導磁石を絶対零度近くまで冷却するために液体ヘリウムに依存しており、半導体工場はウェハーの冷却や微細な漏れ検査にヘリウムを使用しています。ここ数年で繰り返されたヘリウムの供給不足は、実際にMRIの定期点検の遅延や半導体サプライチェーンの混乱を引き起こしました。ヘリウムが枯渇すれば、次の健康診断が延期され、次期スマートフォンの発売が遅れる可能性があるということです。そして、この危機のただ中で静かに検証が進められている技術があります。冷媒もヘリウムも使わず、磁石だけで温度を下げる磁気冷凍技術です。

冷気を借りる方式、冷気を所有する方式

磁気冷凍の原理は、実は新しい物理学ではありません。1881年、ドイツの物理学者エミール・ワールブルクは、鉄に磁場をかけたり解除したりすると温度がわずかに上下することを初めて観察しました。磁性を持つ物質の内部では、小さな方位磁針のような磁気双極子がバラバラな方向を向いています。ここに磁場をかけると、双極子が一方向に整然と整列します。乱雑さが減少した分、物質は熱を放出し、わずかに温度が上がります。磁場を取り除くと、双極子は再び元のバラバラな状態に戻ろうとし、その過程で周囲の熱を吸収して温度が下がります。磁石を近づけたり遠ざけたりする動作を繰り返すだけで、加熱と冷却を継続できるということです。

ここで興味深いのは別の点です。私たちが130年以上にわたって使ってきた冷蔵庫やエアコンは、これとは全く異なる仕組みで動作しています。冷媒ガスを圧縮して膨張させる蒸気圧縮式冷凍です。この方式は構造的に消耗を前提としています。冷媒は配管のどこかから少しずつ漏れ出し、コンプレッサーは摩耗し、漏れた冷媒は再び補充しなければなりません。問題は、この冷媒ガス自体が小さくない代償を要求するという点です。一般的に使用されるハイドロフルオロカーボン（HFC）系冷媒は、二酸化炭素の最大1万2400倍も強力な温室効果ガスであり、世界の温室効果ガス排出量の約4%がここから発生しています。これは航空業界全体の排出量の2倍に達する規模です。それにもかかわらず、国内で適切に回収・廃棄されている冷媒は流通量全体のわずか1%にすぎません。

金融に例えるなら、これは毎月利息を払い続けなければならないローンに近いと言えます。冷媒式の冷却は使うたびに何かを消耗し、その消耗分を常に補充し続けなければ成り立ちません。一方、磁気冷凍の材料である磁性合金は、磁化と消磁を繰り返しても化学的に消耗しません。材料と磁石を最初に用意する初期費用は大きいものの、それ以降は同じ資産を使い回し続ける構造に近いのです。毎回レンタルして使う経済と、最初に大きな買い物をして長く使い続ける経済の違いと考えれば分かりやすいでしょう。

143年かかって冷蔵庫になった発見

ワールブルクの観察以降、実用的な冷却装置になるまでには長い年月を要しました。1933年、アメリカの物理学者ウィリアム・ジオークはこの原理を用いて物質を絶対温度0.25K、マイナス272.9℃まで冷却することに成功しました。ただし、これは実験室で一度きりの極低温技術でした。室温で動作する磁気冷凍装置の最初の概念実証は1997年になってようやく登場しました。観察から実に116年後のことです。2015年にはハイアール、米アストロノーティクス、独BASFが共同開発した磁気冷凍冷蔵庫が公開され、従来のコンプレッサー方式より35%優れた効率を達成しました。2016年にはフランスのクールテック社が商用システムをリリースし、翌年には500リットル級のキャビネットで従来の冷蔵設備を代替できることを示しました。

韓国はこの潮流に比較的遅れて、しかし急速に参入しました。韓国材料研究院は、ランタン系・マンガン系磁性合金の合成から、これを薄板や細線へと加工する技術、モジュールとして組み立てる技術に至るまで、材料・部品・モジュールの全周期技術を国内で初めて確保しました。この成果は2025年5月に国際学術誌『Rare Metals』に掲載され、国内特許登録および米国特許の出願も完了しました。1881年の観察からここまで、143年の歳月がかかりました。そして市場調査機関のモルドール・インテリジェンスは、この市場が2025年の7億4000万ドルから2031年には25億8000万ドルへと、わずか6年で約3.5倍に拡大すると予測しています。年平均成長率は23.2%です。

この成長の背景には規制の存在があります。欧州連合（EU）は2036年までにハイドロフルオロカーボンの使用量を85%削減することを義務付け、その結果、冷媒規制が最も厳格な欧州が磁気冷凍市場全体の40%を占める最大の地域となりました。アジア太平洋地域は年率25%を超えるペースで最も急速に追従しています。用途別では商業用冷蔵が市場の41%を占め、依然として最大規模を維持していますが、成長スピードで見るとデータセンター冷却が年率30%、医療分野が年率約25%で拡大しており、重心は急速にシフトしています。

数字以上に実感を伴うのは、この技術がすでにどれほど深い領域まで到達しているかです。私たちが体感として知る冷たさの基準は、家庭用冷凍室のマイナス18℃程度です。液体窒素はマイナス196℃、液体ヘリウムはマイナス269℃まで下がります。しかし、超電導量子ビットを使用する量子コンピュータは、これよりはるかに極限の世界、絶対零度からわずか15ミリケルビン上という温度まで下げなければ動作しません。絶対零度であるマイナス273.15℃と比較すると、その差は人間の体温と冷凍室の温度差よりもはるかにわずかです。この極小の温度域を液体ヘリウムなしで磁石だけで作り出す技術を「断熱消磁冷却」と呼びます。ドイツのキウトラ社は、2台以上の装置を交互に作動させ、一方が冷却している間にもう一方が再充電される方式により、この極低温を途切れなく維持できる装置をすでに実用化しています。

この技術がなければ何が起きるかを見れば、磁気冷凍の存在意義はより明確になります。ヘリウム供給が不安定になるたびに、病院ではMRIの点検スケジュールが延期され、半導体工場では検査工程に支障が生じました。米航空宇宙局（NASA）は以前から、宇宙空間におけるヘリウム不要の極低温冷却に期待を寄せてきました。X線天文衛星「ひとみ（ASTRO-H）」には実際に断熱消磁冷却装置が搭載され、軌道上で検出器を極低温に保つために使用されました。ヘリウムを宇宙へ補給できない環境において、磁気冷凍はすでに唯一の選択肢だったのです。

データセンターも同様の岐路に立たされています。国際エネルギー機関（IEA）は、2030年までに世界のデータセンターの電力需要が現在の2倍以上に増加する可能性があると予測していますが、磁気軸受を用いたオイルフリーチラーは、従来の圧縮機方式に比べて冷却コストを最大50%削減できるため、2026年末から米大手データセンターに順次導入されます。水素を液体として貯蔵・輸送する技術においても、磁気冷凍は有力な候補として研究が進められています。液体水素はマイナス253℃以下で生成されますが、超電導磁石を利用したアクティブ磁気再生冷却が、この極低温をヘリウムなしで実現できるという研究結果がすでに報告されています。産業用ヒートポンプの領域でも、磁気冷凍は年平均26%を上回る成長率で拡大しており、これは製造業におけるカーボンニュートラルの加速の波と合致しています。

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ガドリニウムという名の第二のヘリウム

しかし、この話を一歩引いて眺めてみると、懸念すべき点が見えてきます。磁気冷凍の基幹材料として最も頻繁に名前が挙がるガドリニウムは希土類です。希土類の精錬とサプライチェーンは特定の国に大きく偏っており、その偏りはここ数年、さまざまな産業ですでに問題となったことがあります。ヘリウムの枯渇問題を避けるために選んだ技術が、また別の有限な資源に依存するという構造を繰り返しているわけです。韓国材料研究院をはじめとする多くの研究チームが、ガドリニウムの代わりにランタンやマンガンのような比較的手に入りやすい元素で代替材料を模索している理由もここにあります。ただし、現状では性能とコストの両面でガドリニウム系を完全に代替するには至っていません。

こうしたパターンは今回が初めてではありません。オゾン層を破壊していたフロン（CFC）を廃止するために導入されたのが、現在問題視されているHFCでした。規制によって生じた穴を埋めるために次の資源へと乗り換えていく流れは、冷却の歴史そのものに刻み込まれているのです。磁気冷凍がこの連鎖を断ち切ることができるかどうかは、結局のところガドリニウムの代替材料をいかに早く、いかに豊富に存在する元素で見つけ出せるかにかかっています。

より根本的な問いも残ります。磁気冷凍の原理は143年前にすでに知られていました。それにもかかわらず、人類はその143年間、二酸化炭素の1万倍以上も強力な温室効果ガスを排出する圧縮式冷却を使い続けてきました。技術がなかったからではなく、圧縮式のほうがはるかに安価で、磁気冷凍の材料がはるかに高価だったからです。今この潮流が変わりつつあるのも、磁気冷凍が急に優れたからではなく、圧縮式が支払うべき代償がもはや安くなくなったからです。 私たちは技術を変えているというより、何の代償を先に支払うかという優先順位を変えているに近いのです。

ヘリウムは一度大気中に拡散すると、二度と地球には戻ってきません。磁気冷凍がその代わりを務められるとすれば、今度は希土類が同じ過ちを繰り返さないようにする取り組みが求められます。エアコンのリモコンを押す短い一瞬、私たちはそのボタンの裏側で何が消耗され、何が繰り返し使われているのかをほとんど意識しません。次に病院の待合室でMRIが低く唸る音を耳にしたり、新製品の発売が予期せぬ理由で遅れたというニュースを目にしたりしたとき、その背後で静かに枯渇しつつある一つの元素を思い出すかもしれません。そして、その席を埋めようとする磁石もまた、いつかは別の名前の有限な資源の上に成り立っているという事実も。