科学の大胆な新境地を探るシリーズの一環として、シドニー大学の電気工学専門家であり世界経済フォーラムのYoung Scientist（若手科学者）でもあるマヤール・シルヴァニモガダム氏に話を聞き、スマートデバイスを常時稼働させ続ける自己充電型バッテリーの研究に打ち込んだ理由を探りました。
あなたが解決しようとしている大きな課題は何ですか？
5G やモノのインターネット（IoT）技術の普及に伴い、まもなく私たちは小型センサーやスマートデバイスに囲まれるようになります。それらは常に環境を監視し、生活の質を高めるためにその環境を変化させる可能性があります。
データの収集、クラウドサービスとの通信、サーバーでのデータの保存と分析というプロセス全体は、大量のエネルギーを消費します。まもなく500億台を超えるスマートデバイスが登場しますが、その大半は手の届きにくい場所に設置されるため、定期的なバッテリー交換やメンテナンスは現実的ではありません。
これまでの傾向は、バッテリーの効率を高め、より小型で効率的なバッテリーを開発してデバイスの寿命を延ばすことでした。これまでの改善にもかかわらず、多くの用途においてバッテリーは依然として課題です。実際、バッテリー駆動のスマートデバイスは、寿命が限られているか、性能が制限されたまま寿命が長くなるかのいずれかです。デバイスの寿命と消費エネルギー量の間にはトレードオフの関係があります。消費エネルギーが多いほど性能は高まりますが、寿命は短くなります。仮にバッテリーを交換できたとしても、廃棄された大量のバッテリーはどうすればよいのでしょうか？
その課題を解決するために用いようとしている大きなアイデアは何ですか？
多くのIoT用途では、デバイスは自立的かつ持続可能な方法で電力が供給される必要があります。実行可能な解決策は、環境からエネルギーを収集・回収し、デバイスが動作するのに十分なエネルギーを供給することです。これにより、デバイスの寿命が大幅に延び、エネルギー源としてのバッテリーが不要になります。
エネルギー・ハーベスティング機能を備えたスマートデバイスは、理論上は無制限の寿命を持つ可能性があります。デバイスは、保守やバッテリー交換をせずに長期間使用できます。私たちは主に大規模な再生可能エネルギーを利用してきましたが、なぜそれを微細なレベルで利用しないのでしょうか？
私たちは圧電材料（加えられた機械的応力に応じて電荷を生成する材料）を用いて、わずかな動きを電気に変換し、それをバッテリーやスーパーキャパシタに蓄えています。太陽光、機械、熱などのエネルギー・ハーベスティング技術を組み合わせて使用することで、IoTデバイスの寿命を大幅に延ばし、そのカーボンフットプリントを削減できる可能性があります。
そのことを5歳の子どもにどう説明しますか？
私たちのスマートフォンやおもちゃは、いずれもエネルギーを蓄えて動作させるバッテリーで動いています。しかしバッテリーには寿命があるため、交換または充電が必要です。100台や1,000台のデバイスがすべてバッテリーで動作している状況を想像してください。それらすべてのバッテリーを交換または充電するのはほぼ不可能です。この問題を解決する方法の一つは、身の回りにあるエネルギーを利用することです。ほぼあらゆる種類のエネルギーを電気に変換してバッテリーに蓄えることができれば、バッテリーを交換しなくても、デバイスを長時間動作させることができます。
この取り組みの過程で最も困難だったのは何ですか？
環境からのエネルギー収集は不安定です。生成されるエネルギー量も不安定です。エネルギー・ハーベスティング技術で生成されたエネルギーでデバイスを直接駆動することはできないため、設計は非常に複雑になります。収集したエネルギーを蓄え、適切に使用するためには、エネルギー貯蔵ユニットやパワーマネジメントユニットを備えたスーパーキャパシタを使用する必要があります。バッテリーを再充電するには、一定量のエネルギーが必要です。また、バッテリーのサイズと蓄電能力にも課題があり、ほとんどのエネルギー・ハーベスティング技術との互換性が低くなっています。コストも別の要因です。
バッテリーについて、ほとんどの人が知らないことは何ですか？
世界には、IoTデバイスを開発できる開発者が約470万人おり、その数は年間約3%の割合で増加しています。最近の研究によると、米国では年間30億個以上のバッテリーが廃棄されており、あらゆる分野におけるIoT技術の普及によって、この問題はさらに深刻化すると考えられます。
