극저온 냉각의 돌파구: 더 빠르고 에너지 효율

연구원들은 극저온 냉각기의 효율성을 크게 향상시켜 현재 기술보다 최대 3.5배 더 빠르게 거의 절대 영도에 가까운 온도를 달성하고 약 71% 적은 에너지를 사용하는 매우 간단한 방법을 발견했다. 이러한 발전은 극도로 낮은 온도를 필요로 하는 다양한 응용 분야에 엄청난 잠재력을 가지고 있다.

극저온 냉각은 조직, 난자, 정자 및 배아와 같은 생물학적 물질을 보존하는 데 필수적이다. 이를 통해 CAT 스캐너, CERN의 대규모 입자 가속기 및 특정 자기 부상 시스템의 기능을 수행할 수 있다. 또한 수많은 엔지니어링 응용 분야를 가지고 있으며 제임스 웹 우주 망원경의 심우주 관측에 동력을 공급하고 핵융합 발전 및 양자 컴퓨팅의 미래 혁신에 중요할 수 있다.

초저온에서는 독특한 물리적 현상이 발생한다. 초전도성은 전류가 저항 없이 물질을 통과할 수 있도록 하고, 초유동성은 헬륨과 같은 특정 액체가 점도 없이 흐를 수 있도록 하여 용기 측면을 기어올라 정상적인 규칙을 무시한다. 절대 영도에 가까워지면 양자 현상이 느려지면서 원자가 뭉쳐 단일 양자 개체로 행동하는 보스-아인슈타인 응축물이 생성된다.

그러나 이러한 온도에 도달하는 것은 전통적으로 비용과 시간이 많이 소요되었다. 40년 이상 동안 펄스 튜브 냉장고(PTR)는 절대 영도보다 4도 높은 4ºK(-452ºF, -269ºC)의 온도를 달성하기 위한 표준이었다. PTR은 가정용 냉장고와 유사한 원리로 작동하지만 헬륨 가스를 사용하여 가능한 가장 낮은 온도에 도달한다. 이 과정은 효과적이지만 며칠이 걸리고 상당한 에너지를 소비할 수 있다.

미국 국립표준기술연구소(NIST)의 라이언 스노드그래스(Ryan Snodgrass)와 그의 팀은 PTR의 효율성을 높이고자 했다. 그들은 PTR이 절대 영도 근처에서 잘 작동하지만 냉각이 시작되는 실온에서는 비효율적이라는 것을 발견했다. 연구팀은 더 높은 온도에서 고압 헬륨 가스가 냉각에 기여하는 대신 릴리프 밸브로 자주 전환된다는 것을 발견했다.

압축기와 냉장고 사이의 기계적 연결을 재구성하고 냉각 과정에서 밸브가 활짝 열리기 시작하고 점차적으로 닫히도록 조정함으로써 연구원들은 귀중한 헬륨을 낭비하지 않고 더 높은 효율성과 더 빠른 냉각을 달성했다.

이 혁신의 잠재적 영향은 상당하다. 새로운 냉장고 프로토타입이 기존 장비를 대체하기 위해 상용화된다면 2,700만 와트의 전력, 3,000만 달러의 글로벌 전기 비용, 연간 5,000개의 올림픽 수영장을 채울 수 있는 충분한 냉각수를 절약할 수 있다. 이 돌파구는 다양한 초저온 기술에 대한 비용 편익 방정식을 극적으로 변화시켜 접근성과 지속 가능성을 높일 수 있다.  제조사 Impact Lab