
サイエンス
廃棄熱を電力に変える「原子のミルフィーユ」:東京科学大が超伝導体の薄膜をバルク化する新設計を発表
鉄セレニドのナノ薄膜を三次元的に積層し、鉄の欠陥を規則正しく配置した新構造の熱電材料が開発された。この秩序ある欠陥が電子状態を最適化して発電性能を従来の30倍に高め、同時に熱を運ぶ振動を強力に散乱させることで極めて低い熱伝導率を実現した。
別名: TEG, Thermoelectric Generator, 熱電デバイス, 熱電発電
熱電発電(Thermoelectric Generation)は、ゼーベック効果を利用して熱エネルギーを直接電気エネルギーに変換する技術です。タービンやモーターなどの可動部を必要としないため、メンテナンスフリーで信頼性が高く、宇宙探査機の電源や廃熱回収への応用が期待されています。長年、エネルギー変換効率の低さが課題となっていましたが、材料科学や幾何学的設計の最適化により性能向上が図られています。

鉄セレニドのナノ薄膜を三次元的に積層し、鉄の欠陥を規則正しく配置した新構造の熱電材料が開発された。この秩序ある欠陥が電子状態を最適化して発電性能を従来の30倍に高め、同時に熱を運ぶ振動を強力に散乱させることで極めて低い熱伝導率を実現した。

探査機ボイジャーの電力源である熱電発電は、地球上の未利用熱を電力に変える技術として期待されてきたが、低い変換効率が課題だった。韓国の研究チームは、熱電デバイスの幾何学的な形状が効率に大きく影響することに着目し、トポロジー最適化アルゴリズムを用いて発電効率を最大化する異形の形状を導き出した。この形状最適化により、熱電発電の起電力と電気抵抗のバランスが劇的に改善され、変換効率が飛躍的に向上することがシミュレーションで示された。