未来の冷蔵庫は磁気で冷やす?

新しい冷却方式である磁気冷却についての新聞記事(日経8月25日)を紹介します。

現在の冷蔵庫などで使われているヒートポンプ(HP)はコンプレッサー(圧縮機)を使い配管に閉じ込め冷媒ガスを循環させて周囲と熱を受け渡しする。

冷媒を膨張させ液体から気体へ変える時に気化熱を奪い周囲を冷やす。逆に冷媒を圧縮して気体化から液体に戻す時には外部に凝縮熱を出す仕組みだ。

この方式の原理は、のデメリットはコンプレッサーの騒音や振動が発生することや、地球温暖化のガスを使っていることだ。

これに対し、磁気ヒートポンプは圧縮機も冷媒も使わなず、モーターで永久磁石を回転させ、周りに配置した磁性体に磁気を加えたり消したりして発熱と吸熱を繰り返す。

この原理は、「磁気熱量効果」と呼ばれる現象で、磁気が生じる源となる「スピン」と言う電子の性質に由来している。電子のスピンがバラバラの状態から一定の向きに揃う時に発熱し、スピンの向きがバラバラに戻るとき吸熱する。

スピンの向きがバラバラの状態は揃った状態よりエネルギーが低いので、その差を熱エネルギーとして出し(発熱)入れ(吸熱)している。

この吸熱、発熱を引き起こすため、中央に回る永久磁石と周囲に0.6ミリの細かい磁性体の粒を周りに詰めたパイプ(温水用と冷水用)を配置した構造の装置となっている。

磁性体には、この高い性質を持つレアアースのガドリニウム(Gd)が使われているが、近年は安価な鉄やマンガンをべーすとした合金での開発も進んでいる。

現在製品化されいるのは、白物家電で世界首位の中国ハイアールがドイツの化学会社や米国の航空宇宙関連会社と共同で2015年に施策したワインクーラーがある。ワインは振動に弱いので磁気HPが適しているため。従来より35%効率がいいそうだ。

日本では空調設備最大手のサンデンホールディングスが東工大とまた自動車部品大手のデンソーが研究を行っている。

現在の冷却方式で使用している冷媒ガスは低温下では液体から気体に戻しにくいが、磁気HPならこうした効率は悪くならない。

将来の有望な製品化品目としては、業務用冷凍機や電気自動車(EV)用のエアコンがある。エンジンがないEVは冬場の暖房用の熱源がないため電気で暖房用の熱を作ると走行距離に大きく響く。そこでこの磁石で熱を発生させるヒートポンプが期待されている。

 

 

参考サイト1はここ

参考サイト2はここ

参考論文はここ

 

省エネの新アンモニア合成法を日本人が開発

アンモンニは工業的には極めて重要な基礎化学品である。

これまでの生産方法は、1906年にドイツのハーバーとボッシュが開発した「ハーバー・ボッシュ法」が使われてきた。

しかしこの方法は100気圧・400度以上高温・高圧での反応が必要なため非常にエネルギー多消費型合成法であった。このためこの合成に全人類の年間消費エネルギーの」なんと1%以上を使っているとされている。

この度、東京工業大学の細野秀雄教授と原亨和教授らの研究チームらは新しい触媒を使い、8気圧、300度で従来の10倍以上の性能の新しいアンモニア合成法を開発した。

その新しい触媒の概要はカルシウムアミドという化合物に希少金属ルテニウムのナノ粒子を付けたもの。触媒にバリウムを加えると700時間以上劣化しなかったそうだ。

このニュースはアンモニアが基礎化学品であり直接人間の日常生活に影響を与えるものではないため今の所大手新聞には大きく報道されていないが、世界の省エネに大きく貢献する様になることは間違いない。100年以上誰も成功しなかった技術なのである。

全世界の化学工業の省エネに貢献する画期的な発明であり、ノーベル賞級の可能性もある発明なのだ。

ついでに申し添えると、ご存知の方も多いと思うが、シャープの省エネ型液晶「IGZO」の開発者は細野教授なのです。

HDDはまだ生き延びるか

最近個体記憶デバイスSSDの記憶容量が数十ギガバイトを超えるものが開発され、その高速性、高密度、耐久性からこれまでのHDDは消えてゆくのではないかと思われている。

しかし高密度に関しては、最近東工大と大阪大学の共同研究の結果このHDDの容量を飛躍的に増加させる技術が開発された

その内容は、「スマネン」と呼ぶおわん型の分子を使い、その向きを反転する技術。

スマネンとは炭素原子21個の骨格の周囲に水素原子が結合していて、フラーレン(60個の炭素原子がサッカーボールの様に正5角形と正6角形の面からなる球状分子)の一部を切り取ったおわん型をしており、直径1ナノメートル、高さ0.3ナノメートルの分子。(詳細は最後に文献ご紹介)

このおわん型の分子の向きが反転する現象が走査型電子顕微鏡の観測時に発見された。

メモリーの書き込み、消去の基本原理は、このおわん型分子を整然と基板上に敷き詰め原子レベルで尖った針を近づけて1個ずつ上下を反転させることで可能。

スマネンに関しての追記

フラーレンの一部を切り取った基本構造には、2通りが考えられます。ひとつは5員環を中心とした分子がコランニュレン6員環を中心とした構造の方がスマネン。

スマネン、コランニュレンに関してはいくつか参考サイト、文献等がありますが

比較的見やすく分かり易いサイトはここ