重力のみで冷却し大気中から水分を抽出する画期的な技術が実現

2024年10月1日

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サウジアラビアの研究機関King Abdullah University of Science and Technology（KAUST）の国際研究チームが、重力のみを利用した革新的な冷却技術の開発に成功した。この新技術は、電気を一切使用せずに大気中から水分を抽出し、冷却効果を得ることができる画期的なシステムだ。

KAUSTのQiaoqiang Gan教授率いる研究チームは、安価で入手しやすい材料を用いて、重力だけで作動する受動的冷却システムを設計した。このシステムは、電子機器や他の技術を冷却するだけでなく、抽出した水を灌漑、洗浄、建物の冷却など、さまざまな用途に再利用できる可能性を秘めている。

重力を活用した新冷却技術の特徴と利点

新たに開発された冷却技術の最大の特徴は、電気を必要としない点にある。従来の大気中の水分を収集する技術は、特に乾燥した環境下で実用的な量の水を収集するために電力を必要としていた。これは、サウジアラビアのような乾燥地域において、特に農村部での太陽電池の導入を妨げる要因となっていた。

KAUSTのDan Daniel教授とGan教授のグループのポスドクであるShakeel Ahmad氏は、商業用ポリマーとシリコンオイルを混合した潤滑コーティングを施すことで、重力のみに頼って水を効率的に収集できることを発見した。Ahmad氏は次のように説明している。

このパッシブ冷却装置は、電気も使わず重力だけで水を集めながら、熱エネルギーを空に反射させる。 (Credit: 2024 KAUST.)

「大気水収集システムでは、水滴がデバイスの表面に付着してしまい、能動的な凝縮水の収集が必要になるという共通の課題がありました。私たちのコーティングは、この付着を効果的に排除し、水のみによる真の受動的水収集を可能にしました。このシステムは完全に受動的な放射冷却で動作するため、電力を全く消費しません」。

技術の詳細と実験結果

この新しい冷却システムは、Gan教授が以前に開発した「垂直両面アーキテクチャ」と呼ばれる技術をベースにしている。元々このシステムは、熱を空に反射して太陽電池や他の屋外の電子システムを冷却するために設計されたものだが、水の収集は想定されていなかった。

研究チームは、新しいデバイスをサウジアラビアのジェッダから約100km北に位置するトゥワルという町で、1年間にわたり6回の自然条件下でテストを実施した。その結果、従来の大気水収集技術と比較して、水の収集率をほぼ2倍に向上させることに成功した。

Daniel教授は、水の収集効率だけでなく、この技術の採用がもたらす経済的利点にも注目している。「このシステムは電力を消費しないため、エネルギーの節約につながります。さらに、コンプレッサーやファンなどの機械部品に依存しないため、従来のシステムと比較してメンテナンスが少なくて済み、さらなるコスト削減が可能です」と述べている。

この研究には、Gan教授とDaniel教授に加え、KAUSTのGyorgy Szekely准教授も貢献しており、研究結果は『Advanced Materials』誌に掲載された。この画期的なプロジェクトは、KAUSTの新設された再生可能エネルギーおよび持続可能技術卓越センターで進行中の多くの研究の一つである。

科学者たちの試算によると、地球の大気中には、全ての河川の淡水を合わせた6倍もの水が含まれているという。この膨大な水資源を活用する大気水収集技術は、特に水不足に悩む地域にとって、大きな可能性を秘めている。特に、電力インフラの整備が困難な地域や、持続可能なエネルギー利用を目指す都市部での活用が期待される。

新技術の開発は、サウジアラビアのエネルギー転換戦略にも大きく貢献する可能性がある。サウジアラビアは豊富な日射量と太陽電池技術への多額の投資により、再生可能エネルギーの主要輸出国になる準備を整えつつある。現在、同国のグリーンエネルギー容量の80%以上を太陽エネルギーが占めているが、太陽電池の運用には過熱のリスクが付きまとう。この新しい冷却技術は、そうした課題の解決に大きく寄与する可能性がある。

論文

Advanced Materials: Lubricated Surface in a Vertical Double-Sided Architecture for Radiative Cooling and Atmospheric Water Harvesting

参考文献

研究の要旨

放射冷却は、コンデンサーの温度を周囲レベルよりも大幅に下げ、追加エネルギーなしで大気中の水の利用（AWH）を可能にする。しかし、従来の天空に面したコンデンサーは冷却出力密度が低く、水滴は表面に固定されたままであるため、積極的な凝縮水の回収が必要である。これらの課題を克服するため、シリコンオイルで潤滑された拡張性の高いポリジメチルシロキサンエラストマーからなる潤滑表面（LS）コーティングを、垂直両面構造のコンデンサー側に導入した。この設計は、局所冷却力を効果的に倍増させるだけでなく、接触線ピンニングを排除し、受動的な重力駆動による水の回収を可能にする。屋外環境（湿度レベルや風速が月によって異なる）において、加湿空気の人工的な流れがない状態で、30 × 30 cm²のサンプルから堅牢なAWHが実証された。ある屋外試験では、LSコーティングの受動的集水量は21 g m⁻² h⁻¹に達し、超撥水表面での集水量10 g m⁻² h⁻¹の2倍になった。屋内試験（20℃、相対湿度80%）では、このシステムは理論限界の87%以上の凝縮率を達成し、凝縮水全体の90%までが受動的に回収された。このアプローチは、配管インフラと外部エネルギー投入の必要性を排除した分散型アプローチで効果的なAWHを実現する。