小さな磁場変化だけで大きな磁気冷凍効果が得られる現象を発見

ＮＩＭＳは、液体水素の輸送ロス・貯蔵ロスを低減するために有効と期待される極低温における磁気冷凍技術において、永久磁石を用いた小さな磁場変化だけで大きな冷却作用が得られる現象を発見しました。ホルミウム金属のメタ磁性転移現象を用いることで、従来法より磁場変化量当たりで１桁程度大きな磁気熱量効果を得ることに成功しました。本成果は、永久磁石を用いた効率的な極低温磁気冷凍の実現に向けた新たな選択肢を示したものであり、低コストでコンパクトな水素液化・貯蔵システムへの応用が期待されます。

カーボンニュートラルに向けて、クリーンエネルギーである水素を最も高密度に貯蔵できる液体水素の保管・輸送技術の開発が求められています。特に、水素が液体になるマイナス２５３度という極めて低温に保持する冷却技術が鍵を握りますが、現状のガス圧縮・膨張サイクルによる冷却法は小規模になるほど効率が低くなります。このガス圧縮法より効率の良い冷却技術として期待されているのが磁気冷凍です。磁気冷凍は通常、磁性体の磁気モーメントの向きがそろった状態から不規則な状態に変わる際にエントロピーが増大し吸熱が起きる磁気熱量効果という現象を応用します。この技術はガス圧縮よりも理論的な冷却効率が高いものの、磁気モーメントの向きを整列させるために超伝導磁石による強磁場を必要とするため、1日当たり１００キログラム以上の中・大型液化プラントへの応用が想定されています。一方、液体水素運搬用のトレーラーなどでの水素の蒸発ロスを低減する小規模な応用に向けては、永久磁石を用いたコンパクトな磁気冷凍法の開発が精力的に進められています。

今回ＮＩＭＳは、わずかな磁場変化で磁性体の磁気モーメントの向きが急激に変化するメタ磁性転移の特徴に着目しました。本研究において、永久磁石で発生可能な程度の弱い磁場でメタ磁性転移を起こすホルミウム金属を用いてエントロピー変化を詳細に調べた結果、わずかな磁場変化だけで、従来の磁気冷凍材料より磁場変化量当たり１桁程度の大きな磁気熱量効果が得られることを見いだしました。さらに、今回見いだした相転移は、水素の沸点（マイナス２５３度）付近から高温側の広い温度範囲で起きることが分かりました。従来は特定温度での磁気熱量効果の発現に特化した磁気冷凍材料を選んで用いることが一般的でしたが、この現象を利用すれば、１つの磁気冷凍材料だけでさまざまな動作温度において効率的な冷却作用を得ることができます。

本成果を磁気冷凍に応用することで、小規模な液体水素ステーションや輸送車両などで活躍が期待できる低コストでコンパクトな液体水素貯蔵・輸送システムの実現に向けて新たな選択肢が生まれ開発が進むことが期待されます。

本研究は、物質・材料研究機構 先端材料解析研究拠点 中性子散乱グループの寺田 典樹　主幹研究員と間宮 広明　主席研究員によって行われました。本研究成果は、国際科学誌「Ｎａｔｕｒｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ」にて２０２１年２月１９日（英国時間）にオンライン掲載されます。