整列させた単層カーボンナノチューブの配列は、廃熱を導き、太陽エネルギーシステムの効率を大幅に高めうると、研究者らは報告している。
この新しい発明は双曲線型熱放射体であり、そうでなければ大気中に放出されてしまう強い熱を吸収し、狭い帯域幅に収束させ、電力へと変換できる光として放出することができる。
この発見は、ライス大学ブラウン工学部のジュンイチロー・コノ氏のグループが2016年に行った別の発見に基づいている。そのとき同グループは、簡便な方法を見いだし、密に詰まったナノチューブからなる、高度に整列したウェハースケールの膜を作製できることを示した。
廃熱
電気・コンピュータ工学の助教授であるグルラジ・ナイク氏との議論を経て、両氏は、この膜を「熱フォトン」の制御に用いられるかどうかを検討することになった。
「熱フォトンとは、高温の物体から放出される単なる光子です」とコノ氏は述べる。「高温のものを赤外線カメラで見ると、それが発光しているのが分かります。カメラは、こうした熱励起された光子を捉えているのです」。
産業用エネルギー消費の約20%は廃熱である。これはテキサス州だけで約3年分の電力量に相当する。
赤外線放射は、地球に熱を届ける太陽光の一要素であるが、電磁スペクトル全体のごく一部に過ぎない。
「高温の表面はすべて、熱放射として光を放出します」とナイク氏は述べる。「問題は、熱放射が広帯域であるのに対し、光から電力への変換は放射が狭い帯域にある場合にしか効率的に行えないことです。課題は、広帯域の光子を狭い帯域に収束させることでした」。
ナノチューブ膜は、そうでなければ無駄になってしまう中赤外線の光子を分離する機会をもたらした。「それが動機です」とナイク氏は述べる。「[共同筆頭著者で大学院生の]クロエ・ドワロン氏による研究では、産業用エネルギー消費の約20%が廃熱であることが分かりました。これはテキサス州だけで約3年分の電力量に相当します。無駄にされているエネルギーは非常に大きいのです。
カーボンナノチューブは熱を取り込むことができる
「現在、熱を電力に変換する最も効率的な方法は、タービンと、それを駆動するための蒸気またはその他の液体を用いることです」と同氏は述べる。「これは約50%の変換効率を実現できます。それに近い効率を出せるものは他にありませんが、そうしたシステムは導入が容易ではありません」。ナイク氏とその同僚は、可動部のないコンパクトなシステムによって、この課題の簡略化を目指している。
整列させたナノチューブ膜は、廃熱を吸収して狭い帯域幅の光子へと変換する導管である。ナノチューブ内の電子は一方向にしか移動できないため、整列した膜はその方向では金属的な性質を示し、垂直方向では絶縁的な性質を示す。ナイク氏はこの効果を双曲線分散と呼んでいる。熱フォトンはあらゆる方向から膜に当たることができるが、離脱できるのは一方向のみである。
「熱から直接電力へ向かうのではなく、熱から光へ、そして光から電力へと進むのです」とナイク氏は述べる。「二段階の方が三段階よりも効率的に思えるかもしれませんが、ここではそうではありません」。
ナイク氏によれば、標準的な太陽電池にエミッターを追加すると、現在のピーク効率である約22%から効率を高めることができるという。「無駄になっていた熱エネルギーのすべてを小さなスペクトル領域に収束させることで、非常に効率的に電力へと変換できます」と同氏は述べる。「理論的な予測では、80%の効率を得られるということです」。
ナノチューブ膜は、摂氏1,700度（華氏3,092度）もの高温に耐えるため、この用途に適している。ナイク氏のチームは、摂氏700度（華氏1,292度）まで動作させ、その狭帯域出力を確認できる概念実証デバイスを作製した。作製にあたっては、チップサイズの膜にサブミクロンスケールの空洞の配列を形成した。
「このような共振器の配列があり、それぞれが、まさにこの狭いスペクトル領域の熱フォトンを放出します」とナイク氏は述べる。「光起電力セルを用いてこれらを集め、エネルギーに変換し、高い効率でそれを実現できることを示したいと考えています」。
この技術に関する論文は、ACS Photonicsに掲載された。米国エネルギー省の基礎エネルギー科学プログラム、米国国立科学財団、およびロバート・A・ウェルチ財団が本研究を支援した。
