宇宙
環境に優しく効率的：熱音響式スターリングエンジンが航空宇宙業界を変える方法
熱音響式スターリングエンジン（TASE）は、一度に理解するには情報量が多いように思えるかもしれません。しかし、原理的にはそれらはスターリングエンジンの音響版です。したがって、TASEについて詳しく掘り下げる前に、まずはスターリングエンジンから始める必要があります。
スターリングエンジンとは何か？
この名称は発明者であるロバート・スターリング牧師に由来し、彼は自動車で使用される従来の内燃エンジンとは大きく異なる外部熱エンジンを考案しました。スターリングサイクルの利用方法が異なり、3つの主要な特徴があります。
- スターリングエンジン内部で使用されるガスは決してエンジンから外部へ出ません。ガソリンやディーゼルエンジンとは異なり、これらのエンジンには高圧ガスを排出する排気バルブがありません。また、爆発も起こりません。その結果、スターリングエンジンは非常に静かです。
- 内燃エンジンではないため、外部の熱源が必要です。その熱源は太陽光、地熱、ガソリン、または太陽エネルギーであり得ます。熱は腐敗する植物から得られることさえあります。
- 最後に、エンジンを始動させるには、やさしく回転するフライホイールプロペラがあれば十分です。
このようにスターリングエンジンを構築する伝統から、熱音響式スターリングエンジン（TASE）すなわちスターリングエンジンの音響版が生まれました。
TASE：スターリングエンジンの音響版
熱音響式スターリングエンジンは、製造コストが低く、効率が高く、メンテナンスが不要で、自己始動機能を備えていることから、科学研究の分野で勢いと注目を集めています。
熱音響式スターリングエンジンの中でも特に人気があるのが熱音響式スターリング熱エンジン（TASHE）です。これらの装置は熱を音響エネルギーに非常に高効率で変換できます。その可能性は可動部品を含まず、部品が比較的シンプルであることに基づいています。これらのシステムは製造とメンテナンスのコストが低く、クリーンで効果的なエネルギーを生成する手段として多くの人に好まれています。
TASHEの仕組みは？
これらのエンジンにおけるエネルギー変換プロセスはレジネレータで行われます。レジネレータは、熱交換器（HHX）と冷却または環境熱交換器の間にある多孔質金属ブロックです。両端に配置することで軸方向の平均温度勾配を維持します。適切な位相で伝播する音波は、スターリングサイクルに似た熱力学的プロセスによって増幅されます。
熱音響式スターリングエンジンが有益な理由は？
化石燃料の不足は、近い将来人類が直面する課題です。化石燃料は地球の健康にも寄与せず、持続可能性に関する多くの懸念を伴います。
科学界は代替燃料源の利用を検討しており、太陽エネルギー、地熱エネルギー、バイオ燃料/バイオマス、放射性同位体などが含まれます。
このような状況下で、スターリングエンジンは高効率、閉鎖熱力学サイクル、静音動作、低振動、長寿命、低メンテナンスという利点により良好な結果を示しています。
スターリングエンジンには、従来型と先進型の2種類が存在します。
熱音響式スターリングエンジンの進化：イノベーションとブレークスルー
TASEの歴史を知ることは、それらがどのように目的を果たし、技術の本質が何であるかを理解する上で重要です。
すでに、熱交換器の両側にある高温と低温（または環境）熱交換器間の勾配を通過する音波について述べました。
1980年代まで、この分野のほとんどの設計の効率は通常5％を超えていませんでした。1979年に転機が訪れ、Ceperley による重要なブレークスルーが達成されました。彼は伝搬波が音響エネルギーをより効率的に抽出できることを示し、現在使用されている伝搬波 TASHE の設計概念につながりました。
このより効率的な方式では、生成された音響パワーの一部が何らかのフィードバックループを介してレジネレータに戻り、残りがエネルギー抽出用の共鳴器へと導かれます。
2000年代の最初の10年で、TASHE の技術はさらに向上しました。2011年に Tijani と Spolestra は、全体効率がカーノット限界の 49% に達する伝搬波 TASHE を設計しました。参考までに、カーノット限界は熱エネルギーを有用な仕事に変換できる効率の絶対上限を示します。
TASE 分野の最新のdevelopmenにおいて、中国は最近、高効率の熱音響式スターリング発電機を開発し、986°F の熱源から 140 hp（または 102 kW）の出力を提供できます。この開発は中国科学院の物理化学技術研究所の研究者によるものです。このようなスターリング発電機が 134 hp（または 100 kW）を超える出力を達成したのは初めてです。
この中国のイノベーションは、その汎用性から多くの人にとって潜在的なゲームチェンジャーと見なされています。さまざまな熱源に対応でき、エネルギー生成方法を変える可能性があり、様々なエネルギー需要に対するソリューションを提供します。
この技術を開発したチームによれば、その信頼性、シンプルな設計、さまざまな熱源との互換性により、蒸気タービンの効率と競合できるとされています。モーターの設計はシステムから振動を排除し、気密シールを維持するのに役立ちます。このイノベーションは、中国の超静音・非核潜水艦の実現に貢献する可能性があります。
別の 2017 年の研究では、LNG の低温エネルギーと低温廃熱から熱音響式スターリング発電を提案しました。この研究により、冷端と熱端をそれぞれ 110 K と 500 K に保ったとき、最高のexergy efficiency 0.253 を達成し、4 MPa のヘリウムガスで動作し 2.3 kW の電力を生成できる熱音響式スターリング発電機の設計が実現しました。
熱音響式スターリングエンジンの進化は、エネルギー効率を高める解決策として世界中の研究者やハイエンド技術者によって綿密に研究されてきました。そして、大規模な企業向けソリューションの分野でも多くの取り組みが行われています。
熱音響式スターリングエンジンを活用する組織
1. NASA
NASA は熱音響式スターリングエンジンの分野で大きな進展を遂げました。このソリューションは「Stirling Thermoacoustic Power Converter および Magnetostrictive Alternator」と呼ばれ、最大効率と信頼性のためにすべての可動部品を排除しています。
NASA グレン研究センターが開発した新技術
この技術はスターリングエンジンをより効率的かつ低コストにします。音を利用して熱を電力に変換する熱音響パワーコンバータを活用しています。システムは熱駆動の圧力と容積変動を熱音響源から取り出し、圧電オルタネータや他のパワーコンバータ技術を駆動します。この装置は比類なき効率で電力を生成できる能力を持っています。
NASA のイノベーションは広範な影響を及ぼしています。熱音響パワーコンバータは、従来のトロイダル形状のスターリングエンジンを直線的な共線配置に再設計するのに貢献しました。このイノベーションにより、今後のシステムは故障しやすい機械的慣性やコンプライアンスチューブに依存する必要がなくなります。目標は、電子部品を使用した音響共鳴によって達成できます。
このイノベーションにより、効率的で信頼性が高く、低コストでコンパクトかつ多用途な製品が実現しました。分散型発電や住宅用電力システム、熱電併給システム、集光型太陽光発電、ハイブリッド電気自動車、冷蔵システム、ヒートポンプ、水中・海洋電力システム、補助電源ユニットなどで利用できます。
2. SpaceX
別の宇宙・航空技術大手である SpaceX が近いうちに TASE を検討する可能性は高いです。これにより、熱を機械的仕事に変換する効率が向上するでしょう。
低い製造・メンテナンスコストにより、より軽量で低コストの宇宙船を実現できる可能性があります。また、深宇宙ミッションにおいて熱管理と電力生成能力の向上にも寄与します。
2023 年 8 月中旬に掲載されたreportsによると、SpaceX の売上高の急増により 2023 年第1四半期に黒字化し、2 つの年間赤字を克服しました。同社は 1 月から 3 月の期間に 55 百万ドルの利益を上げ、売上高は 15 億ドルでした。最近の従業員株式売却で時価総額は約 1,500 億米ドルと評価されました。
3. Sierra Lobo, Inc.
オハイオ州フリーモントに拠点を置くSierra Lobo, Inc.は、世界中で専門的な宇宙・航空テスト、評価、エンジニアリングサービスを提供しています。
同社は、さまざまな電力/熱源で動作できる完全な熱音響式スターリング熱エンジンを開発しており、高効率・高信頼性で可動部品を含みません。コンパクトでスケーラブルであり、重力に依存しない動作により宇宙用途にも利用可能です。
これらの熱エンジンは、音響パワーや圧力波の生成、地上・水中・宇宙での電力生成など、多くの分野での応用が期待されています。電力と冷却電力を同時に生成し、直線オルタネータで電力を発生させ、冷蔵庫やクライオクーラーで冷却を行うことができます。
今後の課題と機会
熱音響式スターリング熱エンジン（TASE）は、スターリングエンジンの特定のカテゴリで、深宇宙旅行に適した電源の開発に大きな可能性を示しています。特に NASA のグレン研究センターは、技術の効率性と低メンテナンス性を活用する最前線に立っています。この技術はさらに進化し、数多くの宇宙探査プロジェクトで重要な役割を果たす電力システムを支えると期待されており、月や火星の基地への電力供給も含まれる可能性があります。
これらのエンジンは、他の熱エンジンに比べて非常に高い熱電変換効率を提供できる点で好まれています。TASE にはベアリングシステムや可動部品がないため、故障リスクと製造コストが大幅に削減されます。
しかし、最も好まれる選択肢となるためには、技術の洗練に向けてまだ多くの課題があります。TASE は現在、容積と重量の面で課題に直面しています。これは、熱交換器を高温点と低温点の両方に配置する設計が、同等出力の従来の内燃エンジンよりもかさばり重くなるためです。
さらに、TASE は固有の熱慣性により起動が遅くなることが多く、迅速な始動や速度変化が求められるシナリオでの適用が制限されます。それでも、継続的な技術革新がこれらの課題を克服し、TASE を高度な宇宙運用やそれ以降の重要なコンポーネントとして位置付けることを目指しています。
