灼熱地帯に朗報！電力を消費しない安価な「パッシブ冷却システム」の開発

・パッシブ冷却システムを採用することで、燃料を消費することなく、高温環境下でも効果的な冷却を実現する。
・乾燥した環境では、周囲温度より最大40℃低い温度で冷却することができる。
・高温になるオフグリッド地域でワクチンや食品を保存するために、既存の冷却システムを補完することができる。

 

既存の冷却メカニズムは、流体冷却システムや蒸気圧縮システムに依存しており、これらは非常に複雑で高価です。一方、パッシブ冷却システム【自然空調】は、大気放射冷却のように、中赤外波長の地球の大気を使用して、温度を大幅に下げることができます。

 

長年にわたり、世界中の研究者がパッシブ冷却システムの開発を試みてきましたが、これまでのところ、製造コストが高く、広く普及させることができない複雑なフォトニクス【光子】機器を用いてシステムを構築してきました。その多くは、すべての波長を完全に反射し、中赤外線を放射するように開発されています。

 

しかし、これを実現するには、何層もの材料を重ね、その厚さをナノメートルの精度で制御する必要があります。

 

今回、MIT【マサチューセッツ工科大学】の研究者たちは、燃料を生成する電力を必要とせず、暑い晴れた日に冷却を行う、安価な新しいパッシブ冷却システムを開発しました。このシステムは、他の冷却システムを補完して、オフグリッド地域【電力会社の送電網につながっていない状態、あるいは電力会社に頼らずとも電力を自給自足している地域】で医薬品や食品を保存・保管することができます。

 

理論的には、周囲温度より最大20℃低い温度で冷却することが可能です。しかし、実証実験では6℃の冷却を達成することができました。さらに温度を下げるには、従来のサーモエレクトリック冷却や冷凍システムを使うことができます。

 

どのように機能するのか？

新しいパッシブ冷却システムは、太陽の通り道を覆うように90度に配置された小さな金属片を使い、直射日光を遮るだけです。このため、追跡装置は必要ありません。

 

磨き上げられたアルミニウム、安価なプラスチックフィルム、断熱材を組み合わせて開発されたシンプルな白い機器は、中赤外域の放射による熱の放出を十分に可能にします。具体的には、常温付近の地球上の物体が発する放射線のうち、波長8～13マイクロメートルの間でスペクトルが重なっていることを利用しています。

 

その上に傘を置き、断熱材で補うことで、日中の冷却効果を高めたのです。屋外での実験では、直射日光を効果的に遮りながら、中赤外線の波長を空に向けて放出し続けることが確認されました。

 

数十年前までは、科学者たちは熱の発生を減らすためのシステムを開発するだけでした。しかし、現在では、シェードや光を遮るメカニズムを上手に使って、温度を下げることができるようになっています。

 

限界と応用

 

画像出典：Bikram Bhatia / MIT

 

湿度の高い環境では、このシステムは正常に動作しません。空気を通る赤外線の放出量を減らし、冷却量を20℃（周囲温度以下）に制限します。それでも、乾燥した環境であれば、最大40℃の冷却が可能です。

 

また、このシステムは家やビル全体の冷却には使えません。灼熱のオフグリッド地域で食料や医薬品を保存するような、冷蔵用途にのみ使用できます。このアプローチは、必要なレベルまで温度を下げるほど強力ではありませんが、少なくとも既存の冷却システムの負荷を減らし、冷却の最終段階のみを提供することは可能です。

 

また、太陽光を特殊な鏡で太陽電池に集光し、効率を高める集光型太陽光発電システムにも利用できます。そのようなシステムはしばしば熱し過ぎるため、定期的な熱メンテナンスが必要となります。パッシブ冷却システムは、この過熱問題を簡単に制御することができ、アクティブな熱管理の必要性を排除することができます。

 

今後数年間、研究者たちはこのシステムの改良を試み続けます。そのための最大の課題は、システム全体が外気から過剰に加熱されるのを防ぐことができる断熱材を発見することです。