エネルギー分野の最も重要なプロセスの多くはナノスケールで起こっている。太陽電池を例にとると、光子が物質から電子を解放し、その電子が電流として流れる。あるいは水素および化石燃料の生産では、原子と分子の間の化学反応が触媒によって加速される。どちらの過程においても、ナノメートル規模の工学によって、その有効性と効率を大幅に高めることができる。
例えば昨年4月、ミュンヘンのルートヴィヒ・マクシミリアン大学の科学者たちは、水素製造の効率を10倍に高めることができる鉄ニッケル酸化物ナノ粒子の創出を発表した。ナノテクノロジーは石油・ガス産業でも検討されており、掘削機器の耐久性を高めるのに役立つ可能性がある。
しかし、エネルギー関連ナノテクノロジーの最大の影響は、再生可能エネルギーの分野で生じる可能性が高い。ナノテクノロジーは、コストと効率の壁を突破する上で重要な役割を果たすと期待されている。例えば、ブラックシリコンにナノ針を加えることで、従来の太陽電池よりも広い角度範囲から、より多くの太陽光を吸収できる太陽電池の製造が可能になるだけでなく、反射防止コーティングの必要性も回避でき、コスト削減につながる。また、新しいナノ材料の一種である量子ドットにより、太陽電池をインクを紙に印刷したり壁にペンキを塗ったりするように、溶液として堆積させることも可能になるかもしれない。現時点では効率水準はまだ競争力がない（ブラックシリコンの22%に対し9%）が、この技術は理論上45%の変換効率に達する可能性がある。さらに、太陽電池を吹き付けて製造する方法は、シリコンで製造するよりも速く、安価になるだろう。
ナノテクノロジーは、ネットワーク接続された電子機器のエネルギー効率を含め、エネルギー効率の向上においても重要な役割を果たすだろう。2013年には、これらの機器は合計で約616TWhを消費しており、これはドイツの総電力消費量を上回る。IEAの推計によれば、2025年までにこの数値はほぼ倍増し、1140TWhに達すると予想されている。
「論理回路のエネルギー消費を減らす唯一の方法は、電圧スケーリングの新たな道筋と、新しいエネルギー効率の高いスイッチを見つけることだ」と、ローザンヌにあるEPFLのNanoLabを率い、次世代トランジスタの設計を目的としたEU資金によるプロジェクト2件（STEEPERおよびE2SWITCH）のコーディネーターを務めるアドリアン・イオネスク教授は語る。
このナノエレクトロニクスの取り組みに協力している科学者たちは、集積回路への供給電圧を0.25ボルト未満に下げるため、新しいトンネル電界効果トランジスタ（TFET）の設計に取り組んでいる。イオネスク氏によれば、これにより「論理回路のエネルギー消費を約25分の1に削減し、受動モードまたは待機モードにあるときの電力消費をほぼ完全になくせる」可能性がある。これが成功すれば、大きな飛躍となるだろう。ネットワーク機器の電力消費の80%は待機中に発生しているからだ。
ノーベル物理学賞受賞者のリチャード・ファインマンは、1959年にアメリカ物理学会で行った講演で、ナノテクノロジーに関して「底には広大な空間がある」と指摘したことで知られている。半世紀以上を経た今も、この指摘は変わらず当てはまり、エネルギー分野にとって朗報となっている。
この記事は最初に GE LookAheadに掲載されました。掲載は、世界経済フォーラムによる見解への支持を意味するものではありません。
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執筆者: マイケル・バーガーは GE LookAhead の寄稿者です。
画像: 電球が写っている。REUTERS.
