磁制冷技术：无制冷剂冷却的关键战役

氦是宇宙中仅次于氢的第二丰富元素，约占宇宙总质量的四分之一。然而在地球上，情况却截然相反。在整个地壳与大气中，氦主要只是铀和钍极其缓慢的放射性衰变所遗留的副产物。一旦泄漏到大气中，由于质量极轻，它会轻易摆脱地球引力，永远逸散到太空中，根本无法回收。这是一种无论是燃烧还是散逸都会彻底消失的元素，因此氦是地球上极少数一旦耗尽便无法再生的资源之一。我们在课本上学到的“宇宙中极为普遍的元素”氦，在地球上却面临着截然相反的窘境。

这一事实绝非与我们无关，因为氦的用途远比充气球重要得多。医院里的磁共振成像（MRI）设备依赖液氦将超导磁体冷却到接近绝对零度；半导体工厂则利用氦气进行晶圆冷却和超微泄漏检测。近年来反复出现的氦气供应短缺，已经导致部分医院 MRI 定期维护延误，并引发了半导体供应链的动荡。这意味着，氦气一旦枯竭，你的下一次健康体检可能会被推迟，下一代智能手机的发布也可能延期。正是在这场危机之中，一项新技术正在悄然接受检验——它无需制冷剂，也无需氦气，仅凭磁体就能实现降温，这就是磁制冷技术。

“借用”冷气与“拥有”冷气的方式

磁制冷的物理原理其实算不上什么全新的科学。早在 1881 年，德国物理学家埃米尔·瓦尔堡（Emil Warburg）就首次观察到，对铁施加并撤去磁场时，其温度会出现微小的升降。具有磁性的材料内部，磁偶极子就像无数微小的指南针一样杂乱无章地分布着。一旦施加外加磁场，这些磁偶极子便会整齐地沿同一方向排列。随着混乱度（熵）的降低，材料会释放热量并略微升温。撤去外加磁场后，磁偶极子又倾向于重新恢复杂乱状态，在此过程中材料会吸收周围的热量，从而使温度下降。这意味着，只需重复施加与撤去磁场的动作，就能实现持续的吸热与放热循环。

这里有一个特别值得玩味的对比。我们使用了 130 多年的冰箱和空调，其运作方式与此截然不同。传统设备采用的是通过压缩与膨胀制冷剂气体的蒸气压缩式制冷。这种方式从诞生之初就以“消耗”为前提：制冷剂会在管路某处发生微量泄漏，压缩机会磨损，而泄漏的制冷剂必须定期补充。问题在于，这种制冷剂气体本身带来了极为沉重的环境代价。目前广泛使用的氢氟碳化物（HFCs）类制冷剂，其温室效应潜能最高可达二氧化碳的 12,400 倍，全球约 4% 的温室气体排放源自于此，这一排放量相当于整个航空业排放总量的两倍。即便如此，在韩国，能够得到妥善回收和销毁的制冷剂仅占总流通量的 1%。

如果用金融概念来比喻，传统制冷就像是一笔每月都必须支付利息的贷款——每次使用都会产生消耗，唯有不断填补消耗才能维持运转。相反，作为磁制冷核心材料的磁性合金，即便经历无数次磁化与退磁，也不会发生化学层面的损耗。尽管前期购置材料和磁体的成本较高，但后续基本上属于资产的循环复用。这就像是“持续租借消费”与“一次性大额采购并长期使用”两种经济模式的差异，理解起来十分直观。

历经 143 年才走进冰箱的发现

从瓦尔堡最初的观察，到演变为实用的制冷装置，这条路走得极为漫长。1933 年，美国物理学家威廉·吉奥克（William Giauque）利用这一原理成功将物质冷却至绝对温度 0.25 K（零下 272.9 摄氏度）。但这仅仅是在实验室中单次使用的极低温技术。直到 1997 年，能够在室温下运行的磁制冷装置才首次完成概念验证——这距离最初的物理发现已经过去了 116 年。2015 年，海尔与美国宇航科技公司（Astronautics）、德国巴斯夫（BASF）联合推出了磁制冷冰箱原型机，其能效比传统压缩机方案提升了 35%。2016 年，法国 Cooltech 公司推出了商用磁制冷系统；次年，他们通过一台 500 升容积的冷柜证明了该技术完全可以替代传统商用冷藏设备。

韩国在这场技术浪潮中起步相对较晚，但跟进速度极快。韩国材料研究院（KIMS）在国内率先打通了从镧系与锰系磁性合金合成，到将其加工为薄板与细丝，再到组装成模块的“材料-零部件-模块”全链条技术。该成果于 2025 年 5 月发表于国际学术期刊《稀有金属》（Rare Metals），并已完成韩国国内专利注册与美国专利申请。从 1881 年的最初观察到这一步，整整走过了 143 年。据市场研究机构 Mordor Intelligence 预测，全球磁制冷市场规模将从 2025 年的 7.4 亿美元增长至 2031 年的 25.8 亿美元，短短 6 年内扩大近 3.5 倍，年复合增长率高达 23.2%。

推动这一高速增长的根本动力来自政策法规。欧盟已立法明确要求到 2036 年将氢氟碳化物的消费量削减 85%。因此，制冷剂法规最为严苛的欧洲占据了全球磁制冷市场 40% 的份额，成为最大的区域市场；亚太地区则以超过 25% 的年增速紧随其后。从应用端来看，商用冷藏虽然仍以 41% 的份额占据最大市场，但从增长势头来看，数据中心冷却的年增速达 30%，医疗领域接近 25%，产业重心正在迅速转移。

比枯燥的数字更能让人感受到震撼的，是这项技术已经下潜到了怎样的极低温度。在日常生活中，我们感知的冷通常以家用冷冻室的零下 18 度为基准；液氮可达零下 196 度，液氦则可达零下 269 度。然而，采用超导量子比特的量子计算机必须在比这低得多的环境下运行——仅比绝对零度高出 15 毫开尔文（mK）。与绝对零度（零下 273.15 摄氏度）相比，这微小的温差甚至比人体体温与冷冻室之间的差距还要狭窄得多。这种无需液氦、仅靠磁体就能实现极微温差控制的技术被称为绝热退磁制冷（ADR）。德国企业 kiutra 已经实现了商业化设备量产：通过交替运行两台或多台装置，在一台制冷的同时另一台重新充磁，从而无间断地维持这一极限超低温。

看看如果没有这项技术会发生什么，磁制冷的战略地位就会更加清晰。每当全球氦气供应出现波动，医院的 MRI 设备维护就会推迟，半导体工厂的检测工序也会受到干扰。美国国家航空航天局（NASA）早已将目光投向无氦太空极低温制冷。在 X 射线天文卫星“瞳”（ASTRO-H / Hitomi）上，实际搭载了绝热退磁制冷装置，用于在轨道上维持探测器的极低温状态。在无法携带大量液氦进入太空的环境中，磁制冷早已成为唯一的可靠选择。

数据中心同样站在了相似的技术十字路口。国际能源署（IEA）预计，到 2030 年全球数据中心的电力需求可能会翻倍。而采用磁力轴承的无油冷水机组相比传统压缩机方案最多可降低 50% 的冷却成本，预计从 2026 年底开始将逐步供应给美国的大型数据中心。在液氢的储存与运输技术中，磁制冷也被视为极具前景的研究方向。液氢通常需要在零下 253 度以下制备，已有研究证实，利用超导磁体的主动磁再生制冷技术可以在无需氦气的情况下达到该温度。在工业热泵领域，磁制冷技术也正以超过 26% 的年均复合增长率快速扩张，这与全球制造业加速推进碳中和的浪潮高度契合。

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名为钆的“第二种氦”

然而，当我们跳出技术光环退后一步审视时，会发现一个不可忽视的隐患。目前磁制冷最核心的材料钆（Gadolinium）属于稀土元素。稀土的提炼与供应链高度集中在特定国家，这种高度依赖性在过去几年中已经对多个行业造成了供应链危机。为了摆脱对濒危氦气的依赖而选择的技术，却再度陷入了依赖另一种有限资源的怪圈。这也是韩国材料研究院等多个研究团队致力于寻找镧、锰等相对常见元素作为替代材料的原因。不过就目前而言，替代材料在综合性能与经济性上尚无法完全取代钆基合金。

这种演变路径并非首次出现。当年为了保护臭氧层、淘汰氟利昂（CFC）而引入的正是如今被视为祸首的 HFC。为了修补政策法规带来的缺口而转向下一种有限资源，这种宿命似乎深深烙印在人类的制冷发展史中。磁制冷能否打破这一循环，最终取决于我们能否以多快的速度、找到多普遍的元素来替代钆。

这也引出了一个更为根本的思考。磁制冷的物理原理在 143 年前就已被发现，但人类在这 143 年里却始终在使用排放强效温室气体的压缩式制冷。这并非因为缺乏技术，而是因为压缩式制冷成本极其低廉，而磁制冷材料极其昂贵。如今这一格局之所以发生转变，并不是因为磁制冷技术突飞猛进，而是因为传统压缩式制冷所要承担的环境与社会代价已经不再低廉。 我们或许并非主动选择了技术变革，而只是在重新权衡应该先为哪一种代价买单。

氦气一旦散逸到大气中，就再也不会回到地球。如果磁制冷能够接过接力棒，接下来我们要面对的课题，就是如何避免让稀土重蹈覆辙。在按下空调遥控器开关的那一瞬间，我们很少会去思考按键背后究竟消耗了什么、又在循环利用着什么。下一次当你在医院候诊室听到 MRI 机器低沉的运转轰鸣，或是看到某款数码新品因未知原因推迟上市的新闻时，或许会想起一种正在地球上悄然枯竭的元素。而同样值得记住的是，那个即将取而代之的磁铁背后，或许正依附在另一种名字不同的有限资源之上。