宇宙へ熱を逃がす放射冷却、気候対策への可能性

都市の拡大と高密度化に伴い、コンクリートやアスファルトの表面が増えています。建物や道路が熱を吸収すると周囲が暑くなり、冷房需要が増加します。排出量は利用するエネルギー源にも左右されます。そこで、メリーランド大学の研究チームが一つの解決策を開発しました。2023年に発表した「冷却ガラス」と呼ぶ微多孔質コーティングで、放射冷却を利用します。一般的な透明な窓ガラスではなく、ガラスを含む塗膜です。

放射冷却の進展

気候対策には、すでに生産した電力を効率よく使うことも含まれます。冷却ガラスは二つの仕組みを組み合わせます。高いアルベドで太陽放射の多くを反射するとともに、大気が比較的透過しやすい波長帯で赤外線を放射し、熱を宇宙へ逃がします。太陽光の反射と熱放射の放出は別の過程です。約−270 °Cの宇宙背景が低温の基準として働くのであり、真空が対流によって熱を運ぶわけではありません。

研究チームは論文で材料を次のように説明しています。

「長波赤外線を選択的に放射し、比較的高い太陽反射率を持つ微多孔質ガラス骨格と、太陽光を強く散乱し、製造時に多孔質構造が緻密化するのを防ぐ酸化アルミニウム粒子からなる、不規則な光子複合材料。」

コーティングはさまざまな条件で良好な結果を示しました。製造法は大規模化に適している可能性がありますが、2023年当時、研究者は追加試験と実用化に向けた開発を続けていました。

出典： www.cera.cool

性能について、研究の要旨は次のように述べています。

「この微多孔質ガラスコーティングは、湿度が最大80%に達する環境でも、正午に約3.5 °C、夜間に約4 °Cの温度低下を可能にします。」

詳細な測定では条件が区別されています。正午には相対湿度30%の条件で、コーティングは30 °Cの周囲空気より約3.5 °C低くなりました。夜間には湿度が最大80%の条件で、17.5 °Cの空気より約4 °C低くなりました。中層集合住宅の屋根を対象とするシミュレーションでは、冷房に伴う年間の二酸化炭素排出量を約10%減らせる可能性が示されました。建物の全排出量が一般にそれだけ減ると実測した結果ではありません。

放射冷却自体は新しい考えではありません。ここで注目されるのは、性能、屋外環境への耐久性、生産規模を拡大できる可能性の組み合わせです。

ヒートシンクとは何か？

ヒートシンクは他の物体から熱を受け取り、周囲へ放出する装置です。電子機器や機械システムで過熱を防ぐために使われます。熱い部品との接触では通常、熱伝導が起こり、周囲への放熱には対流や放射が関わります。ここで扱う冷却ガラスは、空や宇宙に向けて赤外線を放射することでエネルギーを失います。

ヒートシンクの主な原理と特徴は次のとおりです。

熱伝導: ヒートシンクの基本原理は熱伝導であり、熱が材料を通して伝わる物理プロセスです。CPU など熱を発生させる部品が熱くなると、その熱はヒートシンクへと移動します。

材料: ヒートシンクは通常、アルミニウムや銅など熱伝導率の高い材料で作られます。これらの材料は熱を効果的に部品から遠ざけ、広い面積に拡散させます。

設計と表面積: ヒートシンク設計の重要な要素は表面積です。多くのヒートシンクはフィンやその他の構造で表面積を増やし、より多くの空気と接触させて放熱を促進します。

対流: ヒートシンク表面を通過する空気や液体の流れが対流冷却を助けます。受動冷却では自然な空気流が熱を拡散し、能動冷却システムではファンやポンプが空気や液体の流量を増やして冷却効果を高めます。

放射: ヒートシンクは放射でも熱を放散します。吸収した熱は赤外線放射として放出され、デバイスの冷却に寄与します。

ヒートシンクの有効性は、材料の熱伝導率、設計（特に表面積）、周囲温度、空気や液体の流速など複数の要因に依存します。熱エネルギーを効率的に管理することで、電子機器や機械システムの信頼性と寿命に重要な役割を果たします。

「放射冷却」とは何か？

放射冷却は、物体が放射によってエネルギーを失う自然現象です。地表付近の温度では主に赤外線が放射されます。地球のエネルギー収支の一部であり、さまざまな技術に利用できます。

放射冷却の科学的詳細は次のとおりです。

赤外線放射：物体は温度に応じたスペクトルと強度の電磁波を放射します。地表の通常の温度では、その多くが赤外線領域にあります。他の熱交換も考慮したうえで、入ってくるエネルギーより失うエネルギーが多いと物体は冷えます。

宇宙への放射：約8～13マイクロメートルの大気の窓など、一部の赤外線波長帯は大気を比較的よく透過します。適切な表面は、この波長帯で宇宙へ熱を逃がせます。湿度、雲などの周囲条件が結果に影響します。

昼間と夜間の冷却：日射がなければ周囲の空気より低い温度に達しやすくなります。昼間には吸収する太陽エネルギーが冷却を妨げます。それでも、反射率が高く適切に設計された材料なら、今回の研究のように昼間の放射冷却も可能です。

アルベドとの関係：アルベドは可視光だけでなく太陽放射のうち反射される割合を示します。アルベドが高いと太陽エネルギーの吸収が減ります。放射冷却は熱放射の放出に関するものです。二つの性質は補い合います。暗い表面は赤外線を放射していても、多くの日射を吸収するため高温になることがあります。

応用例：建物、車両、技術設備への放射冷却の応用が研究されています。設計や条件により、冷房用電力を減らしたり、既存の冷却システムの効率を改善したりできる可能性があります。

放射冷却は赤外線放射を通じて温度を調整する重要な自然プロセスであり、アルベド効果とは異なるものの、両者はエネルギーバランスにおいて相互に関係し、自然環境と人工環境の熱力学に重要な役割を果たします。

気候対策に関わる企業

以下の上場企業は、エネルギーやモビリティに関する技術を提供しています。今回の研究の冷却ガラスを製造する企業として紹介しているわけではありません。

表には2023年11月の記事の過去の数値を残しており、検証済みの最新市場データではありません。1株当たり利益は当時の株式構成を反映している可能性があります。赤字企業の負のPERは有意な株価評価倍率ではありません。埋め込みグラフや株価は、より新しい情報を表示することがあります。

1. FuelCell Energy, Inc.

FCEL 価格チャート

FuelCell Energy (FCEL )は、燃料電池発電所の開発、製造、運転、保守を行っています。電気化学的な変換により、同等の燃焼技術より効率を高め、一部の汚染物質を減らせる可能性があります。ただし、設備は天然ガス、バイオガスなどの燃料を使う場合があり、自動的に化石燃料や二酸化炭素排出がゼロになるわけではありません。気候面の利点は、燃料、効率、排熱利用の有無によって変わります。

2. Brookfield Renewable Partners L.P.

BEP 価格チャート

Brookfield Renewable Partners (BEP )は、北米、南米、欧州、アジアで水力、風力、太陽光、蓄電設備からなる大規模な資産群を運営しています。持分はトロントでも取引されます (BEP.UN.TO )。Brookfield Renewable Corporation (BEPC )は別の法人構造で、交換可能株式によりパートナーシップ持分と経済的に同等の投資機会を提供することを目指しています。両証券は法的に異なる種類です。グループは再生可能エネルギー資産を通じた長期的な価値創造に注力しています。

3. ChargePoint Holdings, Inc.

CHPT 価格チャート

ChargePoint Holdings (CHPT )は、電気自動車の充電機器、ソフトウェアサービス、支援を提供しています。住宅、企業、車両フリート、公共空間などで利用されます。電動モビリティの利用を促すことで石油系燃料への依存を減らせる可能性があります。排出量への効果は、発電方法や車両にも左右されます。

放射冷却を活用する注目企業

非上場のCeraCoolは、放射冷却の実用化と生産拡大に取り組んでいます。研究で発表された冷却ガラスを開発した研究者が設立しました。

CeraCoolは、太陽光を反射して赤外線の熱を放出する塗料を開発しました。同社は、太陽放射の95%以上を反射し、大気の透過窓を通じて宇宙へ熱を放出することで、塗膜自体は電力を消費せずに冷却できると説明しています。これは、あらゆる条件で全ての冷房を代替するという意味ではありません。同社によると、屋根や一部の道路表面など、熱くなる場所に吹き付けや刷毛塗りで施工できます。

SkyCool Systemsも放射冷却を開発する非上場企業です。

SkyCool Systemsは、反射率が高く赤外線を放射する材料を使った冷却技術を開発しています。パネルは蒸気圧縮式冷却システムの効率改善などに利用できます。目指す省エネルギー効果や環境上の利点の大きさは、設置方法と運転条件に左右されます。

おわりに

気候対策では、持続可能なエネルギー源の活用とともに、非効率なエネルギー使用も減らす必要があります。放射冷却はその一助となり得ます。Aaswath RamanはTED講演で、気温上昇、冷房需要の増加、それに伴う排出がつながるフィードバックの可能性と、放射冷却がその抑制にどう役立つかを論じています。

ほかの進歩である背面接点型のマイクロメートルサイズの太陽電池とともに、CeraCoolのような企業の取り組みが記事以降の数年間に利点をもたらす可能性があります。結果は生産拡大と実際の性能に左右されます。