2年前に『FUTURUS』では「MITが開発！太陽エネルギーを高効率に活用する奇妙なスポンジ」という記事で、太陽エネルギーの85%を活用でき、水を水蒸気に変えることができるというスポンジを紹介した。今回の発表は、そのスポンジのさらなる進化版である。
2014年に紹介したものは、まだ太陽光を10倍程度集める必要があった。それが、このデバイスは光学的に太陽光を集める必要すらなくなったのだという。
熱の放出を減らしたい
2014年に紹介したのは、グラファイトとカーボンの層を持つスポンジ状の物質で、水の上に浮かべると、水を吸い上げつつ表面のホットスポットで温度を上げて蒸発させるというものだった。
しかし、そのためには太陽光を10倍程度まで凝縮させる必要がある。光学的にそれほど高い度合いの凝縮ではないものの、そのためには鏡やレンズが必要だ。それらなしで蒸気を発生させられないかというのが、この研究の発端だったという。
黒いグラファイトはたしかに太陽光をよく吸収するが、いっぽうで周囲に熱を放射してしまうという傾向もある。研究チームは、より効率よく太陽エネルギーを捕らえることができる材料を探した。そして落ち着いたのは、波長を選択して吸収する物質だ。薄いブルーの金属のようなフィルムで、ユニークな吸収特性を持ち、太陽熱温水器によく使われる。
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この物質は、電磁波のうちの可視光線をよく吸収するいっぽうで、赤外線は放出しない。太陽光をよく吸収し、熱を捕らえるにもかかわらず、失う熱は最小限なのだ。研究チームは、銅の薄いシートに、波長選択吸収物質をコーティングして、スポンジ状物質の断熱層の上に配置した。
しかし、熱の放射は少なくなったものの、対流によって熱が逃げてしまうことは防げなかった。風などによって空気の分子が表面の熱を奪ってしまうのだ。
梱包材が活躍
そこで、こんどは表面を気泡状の保護材で覆うことにした。このアイディアは意外なことに、研究者のひとり、Gang Chen氏の16歳の娘の活動にヒントを得たという。彼女はサイエンスフェアの活動で、簡易的な温室を作っていたが、それは梱包に使うエアーキャップ（いわゆる“プチプチ”）などで作っていたにもかかわらず、冬場に華氏160度（摂氏71度）を実現していたのだ。
そして、透明度が高く、大きな気泡を使った“プチプチ”を使うことで、光は通しつつも、対流でスポンジから熱が奪われるのを防げるようになった。捕らえられた熱は、銅の層を伝わって、穴や導管に導かれる。そこに水が吸い上げられつつ、摂氏100度まで熱せられて水蒸気に変わっていくという仕組みだ。
このデバイスは、すでに商業的に使われている吸収材と“プチプチ”というローコストな素材で作れるので、非常に幅広い目的に適用できるという。高価な鏡やレンズは使わずに、太陽光を使って淡水化装置や汚水の処理ができるようになる。
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また、光学的に光を凝縮して使う太陽光装置のほとんどが、高価な部品とコストのかかるメンテナンスが必要で、10年、20年というサイクルで使用することを前提に作られているいっぽうで、このデバイスは、1、2年で交換する前提のものになるという。つまり従来とは異なるニーズの使いかたに対応できるわけだ。
現代においては、さまざまなジャンルに使われている素材、部品、装置がそれぞれ高度な進化を遂げている。それらを組み合わせると、また新しい機能を持ったものが、安価に作れる可能性が出てくる。この研究は、エネルギーの供給が安定しない地域で、安定した水の利用を可能にすることに貢献してくれそうだ。
【参考・画像】
※ Sponge creates steam using ambient sunlight – MIT News
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