茨城大学ら、トポロジカル物質と高速スクリーニングにより新たな熱電変換技術開発を開始：注目ニュース✨

2024年10月5日 09:45

発表日：2024年10月4日

私たちの身の回りには、常に未利用の熱エネルギーが存在しています。工場の排熱、自動車のエンジン熱、さらには人体からの熱まで、これらは全て潜在的なエネルギー源です。この「捨てられている」熱を効率的に電気に変換できれば、エネルギー問題の解決に大きく貢献できるでしょう。

茨城大学、埼玉大学、東北大学の研究チームが、この課題に挑戦するプロジェクトを開始しました。彼らの目標は、熱電変換材料の開発効率を驚異の100万倍に引き上げ、2040年までに30%のエネルギー変換効率を実現することです。

科学技術振興機構（JST）の戦略的創造研究推進事業ALCA-Nextに採択されたこのプロジェクトは、熱電変換技術の常識を覆す可能性を秘めています。

熱電変換技術の現状と課題

現在の熱電変換技術には、3つの大きな課題があります：

材料開発指針の不足：これまでの研究は体系的ではなく、効率的な材料探索が困難でした。
研究開発の非効率性：1つの材料の評価に約1年もの時間を要し、進歩が遅いのが現状です。
性能評価の不確実性：異なる研究者間で報告される性能にばらつきが大きく、信頼性に欠けていました。

これらの要因により、現在の熱電変換技術のエネルギー変換効率はわずか5%未満に留まっています。

革新的アプローチ：トポロジカル物質と高速スクリーニング

研究チームは、これらの課題を解決するために2つの画期的なアプローチを採用します：

トポロジカル熱電材料の活用
トポロジカル物質は、独特の電子状態を持つ材料です。この物質をナノレベルで構造化することで、熱と電気の流れを独立して制御できます。
- 熱伝導：物質の内部を通過
- 電子の移動：物質の表面を通過
高速合成・計測システムの構築
- コンビナトリアル薄膜合成：4インチのウエハに複数の材料を同時に形成
- 多点TDIS法：計測時間を数日から数分に短縮

トポロジカル材料については、こちらの記事で詳しく説明していますので、よく知らないよという方は、読んでみて下さい👇

プロジェクトの社会的影響

このプロジェクトが成功すれば、エネルギー産業に大きな影響をもたらす可能性があります：

再生可能エネルギーの新たな源：工場や家庭の廃熱を大規模に利用可能に
カーボンニュートラルへの貢献：化石燃料依存度の大幅な低減
エネルギー効率の飛躍的向上：30%の変換効率は現在の太陽電池に匹敵
新産業の創出：高性能熱電デバイスの製造業や関連サービスの発展

他の技術との比較

現在、太陽光発電の変換効率が20-25%、風力発電は35-45%と言われています。今回の熱電変換技術は、効率面では大きな優位性はないですが、小型・メンテナンスフリーであるというメリットから導入の可能性は大いに考えられるでしょう。

今後の展望

研究チームは、2031年3月までのプロジェクト期間で以下の目標達成を目指します：

トポロジカル熱電材料の理論的探索と実験的検証
高速スクリーニングシステムの確立と最適化
プロトタイプデバイスの作製と性能実証
産業界とのコラボレーションによる実用化検討

研究代表者である、小峰准教授は次のように語ります

脱炭素社会の実現の上で、熱電変換技術は大きなポテンシャルを有していましたが、その実装に向けた研究開発の戦略はこれまで貧弱な状況だったといわざるを得ません。

私たちは、熱電変換材料としてのトポロジカル物質の有用性について世界で初めて注目することで、熱電材料に関わるマテリアル研究戦略を提示します。

そして、茨城大学の材料合成、東北大学の理論探索、埼玉大学の高速計測という技術を結集させ、これまで地球を暖め続けてきた家庭廃熱や工場廃熱などを再利用して膨大な再生可能エネルギーを生み出すという、ゲームチェンジを図ります

この革新的なプロジェクトが、私たちのエネルギー利用の在り方を根本から変える可能性を秘めていることは間違いありません。研究チームの挑戦に今後要注目です。

専門用語：

熱電変換：熱エネルギーを直接電気エネルギーに変換する技術
トポロジカル物質：特殊な電子状態を持つ物質で、熱と電気の独立制御が可能
コンビナトリアル薄膜合成：複数の材料を同時に形成する高効率な材料開発技術
TDIS法：高周波電流と直流電流の過渡応答の違いを利用した高速計測方法
カーボンニュートラル：温室効果ガスの排出量と吸収量を均衡させ、実質的な排出をゼロにすること

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