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金属の薄い膜を引っ張って、力を抜く。それだけで膜の温度が下がる。この性質を使った冷却装置を、電気モーターではなく「熱」で動かすことに、ドイツと日本の研究チームが成功した。論文は2026年8月28日、Nature Energy誌に掲載されている。
取り組んだのは、ドイツのカールスルーエ工科大学（KIT）と、日本の筑波大学のチームだ。装置をつくって実験したのはKIT側で、筆頭著者は博士課程のイーティン・シャオ氏、研究を率いたのは同大学マイクロ構造技術研究所で若手研究グループを率いるジンユアン・シュー氏。筑波大学からは、形状記憶合金の研究で長く知られる宮崎修一名誉教授が加わっている。
できあがったのは、冷媒にあたる膜の長さが1センチに満たない小さな試作機で、冷える幅も数度にとどまる。それでも「熱を入れると冷える」という、ちょっと頭がこんがらがる装置が実際に動き、温度差として測れたのは今回が初めてだという。何が起きているのか、順を追って見ていく。
圧縮機に頼ってきた冷却の仕組み
冷蔵庫もエアコンも、やっていることは100年以上ほとんど変わっていない。冷媒と呼ばれるガスを圧縮機で押し縮めては膨らませ、そのときの温度変化を使って熱を運ぶ。圧縮機を回すのは電気モーターだ。
この方式は成熟していて効率もよいのだが、弱点もはっきりしている。論文の冒頭によれば、冷房と暖房を合わせると世界のエネルギー需要のほぼ半分を占め、しかも従来型の冷媒には温室効果の強いガスが多い。圧縮機は大きくて重く、小型の電子機器には組み込めない。パソコンのCPUなどには電気で冷やすペルチェ素子が使われるが、理論上の限界に対する効率は10〜15％ほどで、圧縮機方式の4分の1程度にとどまるという。
そこで「気体を使わない冷却」の候補として研究が進んでいるのが、固体そのものを冷媒にする方法だ。今回の話はその一種にあたる。
金属を引っ張ると温まり、戻すと冷える性質
ニッケルとチタンをほぼ半々で混ぜた合金は「形状記憶合金」として知られている。曲げても温めると元の形に戻る、あの金属だ。メガネのフレームや、血管を内側から広げる医療用ステントに使われている。
この合金には、もうひとつ面白い性質がある。室温で力をかけて引き伸ばすと、金属の内部で原子の並び方（結晶構造）が切り替わり、そのときに熱を出す。力を抜くと並び方が元に戻り、今度は周囲から熱を吸う。つまり、引っ張ると温まり、放すと冷える。これを「弾性熱量効果」と呼ぶ。伸ばして温まった分を外に逃がしてから力を抜けば、膜は室温より冷たくなる。この繰り返しで熱を一方向に運べる、というのが弾性熱量冷却の基本だ。
この方式には、冷媒ガスがいらない、原理的な効率が高い（論文によれば理論上の限界の84％まで届きうる）、といった利点がある。すでに太い合金の管を束ねた大型装置では、75度の温度差や1キロワット級の冷却能力が報告されている。一方でKITのグループは、髪の毛の何分の一という薄い膜を使う小型版を長く追いかけてきた。薄い膜は表面積が大きく熱のやりとりが速いので、素早く繰り返し動かせるからだ。
電気モーターという弱点
ただし、どの装置にも共通する課題があった。合金を引き伸ばすには、かなりの力がいる。論文の膜の場合、結晶構造を切り替えるには数百メガパスカルという強い力をかけて、長さを5％ほど伸ばす必要がある。これまでの試作機はその力を電気モーターや油圧で出していた。
すると当然、動かすには電気が必要になる。せっかく冷媒ガスをなくしても、電源が要る点は圧縮機と変わらない。おまけに、モーターは「小さな力で長く動く」向きの設計が多く、「強い力で短く動く」ことが求められる合金の膜とは相性が悪い。膜はごく軽いのに、駆動部分ばかりが大きく重くなってしまう。
熱で駆動する弾性熱量冷却という発想そのものは、以前から計算やシミュレーションの形で提案されていた。しかし、実際に動く装置として組み上げて温度差を測った例はなかった。ここが、今回の研究の出発点になる。
熱を動きに変える一枚と、動きを冷えに変える一枚
研究チームが目をつけたのは、形状記憶合金が持つ「二つの顔」だった。上の図のように、装置の中には同じニッケルチタン系の合金でできた薄い膜が二枚あり、それぞれ別の性質を担当する。
一枚目は「形状記憶効果」を使う。あらかじめ少し引き伸ばしておいた膜を温めると、元の長さに縮もうとして強い力を出す。ここで温めるのに使うのが、熱だ。この膜は厚さ22マイクロメートルのチタン・ニッケル合金で、47度あたりから縮み始めて61度ほどで縮みきる性質に調整されている。100度に満たない熱で動くので、廃熱の温度帯に収まる。
二枚目は「超弾性」を使う。室温で引っ張られると先ほどの弾性熱量効果を起こし、温まったり冷えたりする側だ。こちらは厚さ26.5マイクロメートルで、鉄をわずかに加えたチタン・ニッケル・鉄合金になっている。
二枚は樹脂の連結部品で一直線につながれていて、一枚目が縮むと、その力がそのまま二枚目を引き伸ばす。動作は4段階の繰り返しだ。まず一枚目に熱を入れる。縮んだ一枚目が二枚目を引っ張り、二枚目は温まる。次に温まった二枚目を銅の放熱板に触れさせて、熱を捨てる。続いて一枚目を冷やして力を緩めると、二枚目は元の長さに戻りながら冷える。最後に、冷えた二枚目を「冷やしたい相手」に触れさせて、熱を吸い取る。これを1周1.2秒ほどで回し続けると、装置の片側から反対側へ熱が運ばれていく。
つまり、一枚目が熱を「動き」に変え、二枚目がその動きを「冷え」に変える。電気モーターの役目を、熱で縮む金属の膜が肩代わりしたことになる。しかも薄い膜は「強い力を短い距離で出す」のが得意で、モーターよりも合金の冷媒と力の相性がよい。論文では、力と移動量の比が市販の電動アクチュエーターの10倍以上になったと報告している。
実験室で測れた温度差
数字を見ていく。主な実験では、一枚目の膜に電流を流して発熱させ（ジュール加熱）、膜の温度が繰り返しのピークで平均86度になる条件で動かした。このとき、冷媒となる二枚目の膜そのものの温度は最大で12.9度の幅で上下した。ただし、放熱板と受熱板を取り付けた装置全体で見ると、両者の温度差は4.0度になる。内訳は、温かい側が室温より2.2度上がり、冷たい側が1.8度下がった、というものだ。
この「12.9度」と「4.0度」は意味が違うので、混ぜないほうがいい。前者は膜の内部で起きている温度変化の大きさ、後者は装置として外に取り出せた温度差だ。膜と板の間で熱を受け渡すときの損失や、板そのものの熱容量があるため、装置レベルの数字は膜レベルよりずっと小さくなる。
続いて研究チームは、電流による加熱をやめて、外から熱を当てる方式に切り替えた。膜に接触させる小さな加熱板を130度に保ち、熱伝導だけで一枚目を温める。この条件では装置全体の温度差は2.2度に下がった。電流で内側から一気に温めるのと違い、外から熱を伝えるほうが立ち上がりが遅く、膜の縮む量も少し減るためだ。それでも「外部の熱だけで冷却が続いた」という点は確かめられた。
冷却能力そのものは、ジュール加熱で約2.8ミリワット、外部熱源で約2.1ミリワット。冷媒の膜が長さ7.5ミリ、幅0.5ミリという小ささなので、絶対値としてはごくわずかだ。連続運転では80サイクル（96秒）の間、温度差も力も落ちなかったという。
「電気を使わない」の正確な範囲
KITのプレスリリースには「電気不要」という言葉が見出しに使われているが、論文の本文では「電気の使用を最小限にする」という言い方で一貫している。この差は押さえておきたい。
今回の試作機で電気を使っていない部分は、合金を引き伸ばす駆動の部分だ。ここは確かに熱だけで動いている。一方で、主な実験ではその熱を電流でつくっており、外部熱源の実験でも加熱板は電気ヒーターだった。放熱板や受熱板を膜に触れさせたり離したりする動きも、電動のアクチュエーターが担っている。装置全体が電気なしで動いたわけではない。
研究の狙いは、いま電気で動かしている部分を、いずれ廃熱や太陽熱で置き換えることにある。論文が挙げる具体例は、パソコンのCPUを冷やす際に電源回路の廃熱で駆動する構成や、自動車の排気や駆動系の熱で車載電子機器を冷やす構成だ。プレスリリースの冒頭にはデータセンターも登場するが、それは冷却需要の大きさを示す文脈であって、論文がデータセンターの冷却を実証したわけではない。
筑波大学が担った薄膜づくり
今回の装置で二枚の膜の材料を用意したのが、筑波大学の宮崎修一名誉教授だ。論文の分担によれば、チタン・ニッケル合金とチタン・ニッケル・鉄合金の膜は、筑波大学で冷間圧延、つまり金属を常温のまま何度もローラーで圧して薄く延ばす方法でつくられた。30マイクロメートルほどまで薄くしたうえで、それぞれ別の熱処理を施し、一枚は温めると縮む性質、もう一枚は室温で超弾性を示す性質に仕上げている。
宮崎氏は1979年に筑波大学に着任して以来、チタン・ニッケル系の形状記憶合金と超弾性合金を研究してきた人物で、2015年に名誉教授となっている。KITのグループとは以前から薄膜の弾性熱量冷却で共同研究を重ねており、今回の論文でも引用されている2017年の論文などに共著者として名を連ねている。日本は形状記憶合金の実用化が早くから進んだ国のひとつで、その材料研究の蓄積が、ドイツの装置設計と組み合わさった形だ。
解釈上の留意点
研究チーム自身が、今回の装置を「実現可能性を示すための試作機」と位置づけている。冷却能力を最大にする設計にはなっておらず、シュー氏も「これは始まりにすぎない」と述べている。装置全体で4.0度、外部熱源では2.2度という温度差は、何かを冷やす製品として使える水準ではない。
「世界初」の中身も正確に押さえておきたい。弾性熱量冷却そのものは多くのグループが取り組んでいる分野で、温度差や冷却能力の記録では大型装置のほうがはるかに上を行く。今回が初めてなのは、熱で駆動する形状記憶合金のアクチュエーターを薄膜の冷媒と直結し、実験で冷却を測定した点にある。
膜の疲労についても、論文は2000回を超える繰り返しで機能低下がなかったと報告する一方、長期の耐久性を最適化する段階ではないと明記している。ほかの研究では1000万回を超えても劣化しない組成の薄膜が報告されており、そうした材料への置き換えは今後の課題として挙げられている。冷却能力を上げるには膜を並列に増やす必要があり、そのときに熱を均等に配る設計や、複数の膜の動きをそろえる仕組みはまだ実装されていない。
捨てている熱で冷やす、という循環がどこまで実用に近づくかは、これからの積み重ね次第だ。ただ、金属の膜を熱で縮ませて別の膜を冷やす、という仕組みが計算の上だけでなく実際に動いたという事実は、この分野にとって小さくない一歩だと言える。
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出典
Hsiau, Y.-T., Miyazaki, S., Kohl, M. & Xu, J. “Heat-driven elastocaloric cooling with shape memory films.” Nature Energy (2026). https://doi.org/10.1038/s41560-026-02122-6（オープンアクセス）
Karlsruhe Institute of Technology, Press Release 075/2026 “No Electricity Needed for Solid-state Cooling: Heat Becomes Cold”（2026年8月28日） https://www.kit.edu/kit/english/pi_2026_075_no-electricity-needed-for-solid-state-cooling-heat-becomes-cold.php
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