MITの研究者たちは、再生可能資源と組み合わせることで、入射する光子（光の粒子）を効率的に電気に変換する高効率の熱光起電力セルを開発しました。これは、世界にエネルギーを供給する新たな方法を生み出す可能性のある成果です。
「問題は、必要な時に（再生可能エネルギー）が得られないことです」と、MITの機械工学者でNature誌の最新論文の著者であるアセガン・ヘンリー氏はビデオ通話で説明した。「天候が良い時、つまり太陽が出ている時や風が吹いている時しか得られないのです」。このジレンマの解決策は、ヘンリー氏が「熱電池」と呼ぶものにある。これは、太陽光などの再生可能エネルギー源からの電力を熱として蓄える技術だ。
ヘンリー氏によると、熱電池は必要な時にいつでも電力網にエネルギーを「送電」できるという。リチウムイオン電池ではこの用途には不十分だ。「残念ながらリチウムイオン電池は高価すぎます。完全に再生可能な電力網を実現するためには、蓄電コストをどの程度まで下げる必要があるかを検討した研究が数多くあります」とヘンリー氏は説明した。「そこで私たちは、熱としてエネルギーを蓄える方が電気化学的に蓄えるよりも10倍から100倍も安価になるという理由から、この技術、つまり熱電池を開発しました。」
仕組み
熱光起電力セルは、半導体の基礎物理学に基づいています。半導体合金内の原子はバンドギャップ、つまり電子の価電子殻と伝導帯の間の距離を持っています。価電子帯の電子は励起されると（この記事を読んでいるあなた自身のように）、価電子帯から伝導帯へとジャンプします。このジャンプによってエネルギーが放出されますが、放出されるエネルギーの正確な量はバンドギャップの距離によって決まります。言い換えれば、放出されるエネルギーの量は、電子がバンドギャップをジャンプするために必要なエネルギー量によって決まります。
この熱光起電力セル内の電子は、ケーキの層のように重なり合った合金層の中に存在します。セルは2層の半導体合金と1層の金反射層で構成されています。この実験で使用された合金は、セルを最高効率で駆動するために必要な光子の波長に基づいて選択されました。「特定の周波数の光を吸収したい場合は、どの合金が適切なバンドギャップを与えるかを調べることができます」とヘンリー氏は述べています。
熱機関内の合金の位置も重要な要素でした。第一層は、最も高いエネルギーを持つ光子を捕捉するために、バンドギャップが最も大きくなるように設計されました。第一層で捕捉されなかった光子は第二層に落ち込み、より小さなバンドギャップを越えて電子を押し出します。光子が第一層または第二層のギャップを越えて電子を押し出すのに十分なエネルギーを持たない場合、金の反射層が光子を光源へと反射し、エネルギーの無駄を減らします。しかし、これらの光子はねじれによって発生するのです。
ヘンリー氏と研究チームは、管理された実験室環境で作業し、熱機関の真上にある過熱金属から光子を取得しました。
「数フィート離れた抵抗ヒーターに電気を送っていました」とヘンリー氏は説明した。この抵抗ヒーターは複雑な電球のフィラメントのようなもので、エネルギーが通過すると発光し、過熱する導体である。高温の金属から放出された光子は合金層に捕捉され、熱機関で発電する。研究者たちは、1,900～2,400℃に加熱されたヒーターが最高の効率をもたらすことを発見した。
実験室では抵抗ヒーターを壁のコンセントに差し込むのは簡単ですが、研究者たちは現実世界のシナリオを念頭に置いています。理想的には、再生可能資源から得られるエネルギーをこれらの大型バッテリーに蓄え、熱機関から取り出したいと考えています。
熱機関ができること
エネルギーを熱として貯蔵するために、再生可能エネルギー源から抵抗ヒーターに電力を供給し、液体金属を加熱します。液体金属はグラファイトのブロックの上に送り込まれ、ヘンリー氏はこれを「箱の中の太陽」と表現します。この仮想的な箱の中の太陽は、実際の太陽の半分の温度で動作し、抵抗ヒーターに電力を供給します。抵抗ヒーターは光子を熱機関に送り、熱機関は互いに重なり合う形で大規模に貯蔵されます。
ヘンリーは、これはSF小説から出てきた話のようだとすぐに認めたが、同じチームが5年前に行った研究が、この手法をさらに進化させるきっかけとなった。彼らは液体金属を華氏1,832度（摂氏1,000度）以上にポンプで送り込むことが可能であることを初めて実証し、この功績により、ポンプで送り込んだ液体金属の最高温度としてギネス世界記録に認定された。
ヘンリー氏によると、本格的な熱電池と熱機関電源の潜在的な危険性は、酸素のない環境で稼働することだという。「この装置は、アルゴンガスなどの不活性ガスで満たされた倉庫内に保管されます」とヘンリー氏は説明した。「その環境には空気がないので、勝手に立ち入ることはできません。」理想的には、この貯蔵システムはあらゆるメンテナンスが遠隔で行えるように設計されるが、定期的な点検と修理は安全に実施できると彼は述べた。
「年次メンテナンスの際に確認しておきたいので、システム全体、あるいは一部を冷却して、担当者を派遣します」とヘンリーは言った。「緊急事態が発生した場合は、システムを冷却し、スキューバダイビング用具と酸素ボンベを装備した担当者を派遣できます。」
彼らの熱光起電力セルは40%の効率で動作し、これは従来の設計よりも優れており、蒸気タービンに匹敵する。これは有望な結果であり、ヘンリー氏と彼の同僚たちは現在、この技術を既存の電力網に接続可能な倉庫規模の発電所にまで拡大するという、さらに大きな目標を目指している。
