エネルギー
地球の環境熱放射を利用した発電
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温度勾配の活用
私たちの電力生成方法のほとんどは温度差に依存しています。この温度差は、化石燃料（石炭、石油、ガス）の燃焼、核分裂、地下深部の掘削（地熱）、または太陽光の集光（集光型太陽光）によって一方を加熱することでしばしば作り出されます。
この熱的差は、水や他の液体（例えば溶融塩）を加熱し、タービンを駆動させて電力を生成するために利用されます。
したがって、太陽光を直接捕捉する（光伏）や自然の動き（風力、水力、潮力）も可能ですが、熱勾配は蒸気機関の時代から現在に至るまで、最も一般的な電力生成形態です。
理論的に利用可能な別の熱勾配は、地球と宇宙空間との温度差です。
地球の平均表面温度は約15°C（59°F）であるのに対し、宇宙空間は約−270°C（−454°F）です。この巨大な理論上の熱差は長らく研究者の関心を引いてきましたが、これを活用することは決して簡単ではありません。
熱を宇宙へ放射する
波長8〜13μmの熱放射に対して、大気は完全に透明であり、地球の熱が宇宙へ逃げることを可能にします。これは、太陽からエネルギーを受け取った後に地球が冷却される主要なメカニズムです。
理論的には、この波長で放射できるエンジン、または地面と比較してより冷たい空へエネルギーを放出できる近似波長のエンジンは、環境温度から電力を生成できる可能性があります。
実際、この方法は低バンドギャップ半導体デバイスや熱電発電機を用いてすでに実証されています。しかし、出力が低く希土類元素が必要なため、経済的な電力生成には実用的ではありません。
しかし、カリフォルニア大学で働く科学者Tristan J. Deppe氏とJeremy N. Munday氏は、スターリングエンジンを用いた代替手段を見つけた可能性があります。彼らはこの研究を権威ある科学誌Science1に「Mechanical power generation using Earth’s ambient radiation」というタイトルで掲載しました。
スターリングエンジンの解説
多くの温度差は蒸気で駆動するタービンで電力を生成するために使用されますが、代替としてスターリングエンジンがあります。
エンジンの片側がもう片側よりも熱いまたは冷たいとき、これらのエンジンは機械的な動きを生み出します。内燃エンジンやタービンとは対照的に、燃料の燃焼を必要としません。
この機械的な動きは、シンプルな交流発電機で電力に変換できます。
スターリングエンジンは非常に耐久性がありますが、比較的重いため、輸送用途での利用は制限されます。
その効率はタービンよりやや低く、熱力発電所や原子力発電所で一般的に使用されない理由です。しかし、スターリングエンジンは小さな温度差でも動作できるのに対し、タービンは数百度の温度差が必要です。
スターリングエンジンが環境熱エネルギーを捕捉する方法
ここで使用される環境熱発電の基本概念は2つの要素から成ります：
- エンジンの底板が地表面と直接熱接触しています。
- 上部プレートが光学的に空と結合しています。
エンジンの上部から熱を大気中に放射させるために、赤外線放射性塗料が使用されます。
出典: Science Advances
この方法は、特に夜間における地面と空気間の小さな温度差を利用し、スターリングエンジンだけがその差を運動/エネルギーに変換できます。
私たちの概念実証デモはエンジンを放射的に空と結合し、夜間を通じて地球上で >400 mW/m² の連続電力を供給します。
実環境でのテスト
この手法はカリフォルニア州デイビスで、温度差10°C（18°F）とエンジンのフライホイールを1Hzで回転させてテストされました。テストは一年を通じて実施され、ほとんどの期間で機能しましたが、雨や曇りの冬は効率が低下しました。絶対温度よりも、空気中の湿度がシステムの効率に最も大きく影響します。
出典: Science Advances
高湿度条件では、大気中の水分が多いため昼夜の温度差が縮小し、放射冷却能力が低下し、全体的なエネルギー潜在性に影響を与えます。
環境エネルギー潜在性のマッピング
彼らは実験結果を用いて、発明に最適な潜在地域をモデル化しました。
いくつかの結論を導きました：
- 電力密度は、降下放射が最も低い乾燥地域や山岳地帯で最も高くなります。
- 湿度が高い地域はエネルギー潜在性が低くなります。
- 森林が密集した地域では、湿度が上昇し冷却装置が効果的に熱を空へ排出できないため、発電はほぼゼロになります。
これらのデータを用いて、環境放射型スターリングエンジンを展開するのに最適な地域を示す地図を作成しました。
出典: Science Advances
最も潜在性が高い地域は次のとおりです：
- サハラ砂漠地域（アフリカ）。
- ユーラシア草原。
- 夏季の南極大陸。
- 米国西海岸の内陸部。
- アンデス山脈
- チベット高原。
将来の改良点
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| パラメータ | 環境放射型スターリング | 典型的な太陽光PV |
|---|---|---|
| 電力密度 | 夜間 0.4 W/m² | 日光下 150–220 W/m² |
| 理想的な条件 | 乾燥した空気、晴天、夜間 | 直射日光 |
| 必要な材料 | 赤外線放射性コーティング、スターリングエンジン | シリコンまたは薄膜材料 |
| 最適な使用例 | 廃熱回収とオフグリッド夜間電力 | 昼間の電力生成 |
この研究は概念実証に過ぎないため、いくつかの設計要素は改善の余地があります。
最初の要素は放射冷却性能の向上です。市販の塗料の代わりに特注の放射冷却素材を使用することで実現できます。
第二の要素は地球への伝導結合を強化することです。例えば、接触面積を拡大し、銅などの熱伝導率が高い材料を使用します。
より大きなエンジンは総出力と効率を向上させる可能性があります。スターリングエンジンのピストンに空気の代わりにヘリウムや水素を使用すれば、摩擦が減少し効率が上がります。
最後に、産業文明は温室、工場、空調システム、冬季の暖房住宅などから大量の廃熱を排出しています。これにより地面と空の温度差が大幅に増加し、エネルギー生成が促進されます。
実際には、35〜40°C（72°F）の温度差は、15°Cの差と比べて約4倍の電力を生成できます。
出典: Science Advances
「逆太陽光パネル」への展望
この設計は夜間に最も効果的に動作します（設計変更により昼間でも稼働可能ですが）、光伏太陽光パネルの優れた補完となり得ます。
他の発電形態、産業プロセス、暖房された建物（オフィス、アパート、住宅）や温室からの廃熱利用を最大化する優れた手段にもなります。
最後に、建物に設置する追加の冷却手段として設計でき、システムが熱を吸収して宇宙へ放射します。
十分な規模で導入すれば、地球全体で捕捉される熱を減少させながら電力を生成でき、他のすべての電力生成方法と比べて非常にユニークです。
スターリングエンジン企業
Aerojet Rocketdyne と L3 Harris：スターリングエンジンのリーディングイノベーター
LHX 価格チャート
スターリングエンジンはエネルギー生成におけるニッチな応用ですが、2025年時点で11億7,000万ドルの市場規模があり、2029年まで年平均成長率8.5%で成長し、16億2,000万ドルに達すると予測されています。しかし、この分野で活動している企業は上場しているものがほとんどありません。
Aerojet Rocketdyne は、航空宇宙・防衛請負業者 L3 Harris の部門で、NASA や SunPower Inc. (SPWR ) などのパートナーと協力し、宇宙用途向けのスターリングエンジンを開発しています。
Aerojet Rocketdyne は 2023年7月に L3 Harris に 47億ドルで買収され、同社に第4部門が加わりました。
Sunpower Inc（太陽光パネル会社と混同しないように） は、先進的なスターリングエンジン設計であるフリーピストン・スターリングエンジン（FPSE）の発明者です。FPSE は熱から電力を生成するだけでなく、電力を用いて冷却することも可能です。
この技術は特に放射性同位体電力システム（RPS）に適用可能で、放射性物質の自然崩壊から熱を生成し、スターリングエンジンがそれを利用可能な電力に変換します。このようなエンジンの主なプロジェクトの一つは、月面の機器や小規模な月面基地に電力を供給することです。
出典: NASA
NASA は、信頼性が高く、メンテナンス不要で長寿命であることから、特に先進的スターリング放射性同位体発電機（ASRG）において、長年にわたりスターリングエンジンに関心を持っています。
月面用スターリングエンジンに加えて、L3 Harris は主要な軍事・航空宇宙企業です。同社の収益の60%は米国防総省（DoD）から、20%は国際防衛受注から、残りの20%は民間産業から得ています。
特筆すべきは、Harris が世界の戦術無線市場の45%を掌握しており、次の競合他社の数倍のシェアを持っています。
無人システムに関して、L3Harris は垂直離陸ドローン FVR-90、海上自律ボート Shadowfox（全長13m）、水中ドローン Iver ファミリーを保有し、米海軍の中型無人水上車両（MUSV）に対する最初の大規模契約の主要請負業者でもあります。
Aerojet は極超音速ミサイルやその他のミサイルシステムの開発者でもあります。
全体として、L3 Harris は自律システム、ロケット技術、航空宇宙エネルギーシステムにおける先進的な技術企業であり、民間および軍事契約の両方に対する確固たる技術専門知識を有しています。
最新の L3 Harris (LHX) 株式ニュースと開発状況
参照研究
1. Tristan J. Deppe and Jeremy N. Munday. Mechanical power generation using Earth’s ambient radiation. Science Advances. 12 Nov 2025. 第11巻, 第46号. https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adw6833
