放射冷却は宇宙を熱シンクとして利用し、気候変動と戦う

都市環境はますます広がり密集し、これまで以上にコンクリートや舗装が増えています。その問題は建物や道路が吸収する熱の量です。周辺地域はより暑くなり、空調システムはより多く稼働し、温室効果ガスの排出が急増します。このことを踏まえて、メリーランド大学の研究チームがシンプルながら効果的な解決策を考案しました。これは最近開発された『cooling glass』と呼ばれる素材で、放射冷却を通じてこの拡大する問題と気候変動への影響を緩和するのに役立ちます。

放射冷却のブレークスルー

気候変動と闘うことは、クリーンエネルギー源を見つけるだけではありません。すでに生成している電力を効率的に使用することも重要です。このケースで、cooling glass は アルベド効果 と放射冷却を活用し、太陽からの熱エネルギーが典型的な建築材料に閉じ込められるのを防ぎ、宇宙の真空という無限の熱シンクへと反射させる画期的な技術です。宇宙は約‑270℃という極低温の環境です。

その研究論文で、チームは次のように述べています。

「…ランダム化された光子複合体を開発しました。この複合体は、選択的な長波赤外放射（LWIR）放出を特徴とする微細多孔質ガラスフレームワークと、比較的高い太陽反射率を持ち、太陽光を強く散乱し製造過程で多孔質構造の緻密化を防止する酸化アルミニウム粒子で構成されています。」

この結果得られた製品、すなわち『cooling glass』は、さまざまな条件下で優れた性能を示し、比較的容易な製造プロセスと相まって、都市環境での大規模導入が実現可能になる可能性があります。

Source: www.cera.cool

性能に関して、チームは次のように指摘しています。

「この微細多孔質ガラスコーティングは、昼間および夜間の高湿度条件（最大80％）でもそれぞれ約3.5℃および4℃の温度低下を実現します。」

このように、cooling glass を採用した建物は年間で最大10％の炭素排出削減が可能とされています。都市全体にスケールすれば、これは非常に大きなインパクトです。

放射冷却を利用して気候変動に取り組むという考え自体は新しいものではありませんが、この新製品の性能と潜在的なスケーラビリティが特に興味深い点です。

「熱シンク」とは何か？

熱シンクとは、熱を別の物体から吸収し、熱接触（直接または放射）を通じて放散する装置または物質です。人工的なバリエーションは、電子機器や機械システムで温度管理や過熱防止に広く使用されています。cooling glass の場合、熱は宇宙の真空への放射によって放散されます。

熱シンクの科学的概要は次のとおりです。

熱伝導: 熱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、その熱は熱シンクへと移動します。

材料: 熱シンクは通常、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: 熱シンク設計の重要な要素は表面積です。多くの熱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: 熱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: 熱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。

熱シンクの有効性は、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、物体が赤外線放射という形で熱を放出する自然現象です。このプロセスは地球のエネルギーバランスに関与しており、さまざまな技術への応用が期待されています。

放射冷却の科学的詳細は次のとおりです。

赤外線放射: すべての物体は電磁放射としてエネルギーを放出し、その強度は温度に依存します。地表付近の温度では主に赤外線スペクトルに属します。放射冷却は、地表や建物などが吸収する以上に赤外線を放出することで起こります。

宇宙への放射: 放射冷却の重要な側面は、特定の材料や表面が熱を直接宇宙へ放射できることです。大気には特定の波長の赤外線を透過させる「窓」があり、これによりエネルギーが宇宙へ逃げることが可能になります。

昼夜の冷却差: 放射冷却は夜間に最も効果的です。昼間は太陽放射の吸収が冷却効果を相殺するためです。夜間は太陽エネルギーの入力がないため、表面は赤外線放射によってより効果的に冷却できます。

アルベド効果との関係: アルベド効果は可視光の反射に主に関係し、放射冷却は赤外線放射に関係しますが、エネルギーバランスの観点で関連しています。高いアルベドを持つ表面は昼間に太陽放射を多く反射し、吸収熱が少なくなるため、夜間の放射冷却が促進されます。逆に低アルベドの表面は昼間に多く熱を吸収し、高放射率であれば赤外線放射が増える可能性があります。

応用例: 放射冷却は建物や車両の受動冷却システムなどで実用化が進んでいます。また、ここで紹介する冷却パネルのように、電力駆動の空調への依存を減らす持続可能な技術としても研究が進められています。

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。

気候変動に取り組む産業プレーヤー

気候変動に対抗するソリューションを積極的に開発している上場企業に関心がある方は、以下をご参照ください。

*以下の数値は執筆時点のものであり、変更される可能性があります。投資を検討する際は指標を必ず確認してください。

1. FuelCell Energy, Inc.

FCEL 価格チャート

FuelCell Energy (FCEL ) は燃料電池技術の開発と導入をリードする企業です。高効率でクリーンな燃料電池発電所の設計、製造、運転、保守に注力しており、化石燃料への依存を削減し、炭素排出を低減することで気候変動対策に貢献しています。同社の燃料電池は、クリーンで信頼性が高く、効率的な電力供給を実現し、持続可能なエネルギーへの移行に重要な役割を果たします。

2. Brookfield Renewable Partners L.P.

BEP 価格チャート

Brookfield Renewable (BEPC ) Partners (BEP ) は、世界最大級の上場純粋再生可能エネルギー・プラットフォームを運営しています。ポートフォリオには北米、南米、ヨーロッパ、アジアにわたる水力、風力、太陽光、蓄電施設が含まれます。持続可能性への強いコミットメントのもと、再生可能エネルギー資産を通じた長期的価値創造に注力し、クリーンで再生可能な電力への世界的なシフトを推進し、気候変動対策に重要な役割を果たしています。

3. ChargePoint Holdings, Inc.

CHPT 価格チャート

ChargePoint (CHPT ) Holdings は電気自動車革命の最前線に立ち、最も広範かつオープンなEV充電ネットワークを運営しています。同社は住宅、商業、公共スペースなど多様なセクター向けに革新的でアクセスしやすい充電ソリューションを提供し、電気自動車の普及を促進することで温室効果ガス排出の削減と化石燃料依存からの脱却に直接貢献し、気候変動対策における重要な一歩を踏み出しています。

放射冷却を活用する注目企業

上場企業ではありませんが、すでにこの冷却ガラスの科学を実装・拡大しようとしている特に注目すべきスタートアップがあります。実際、この会社は本ブレークスルーを生み出した研究者たち自身が設立しました。会社名は Ceracool です。

Ceracool は『放射冷却塗料』を開発しており、cooling glass と同様のコンセプトに基づいて機能します。同社はこの塗料が「…太陽放射の95％以上を反射し、同時に大気の透明窓を通じてほぼ絶対零度に近い宇宙空間へ熱を放出することで、無料のエアコン効果を実現する」と主張しています。この製品が特に興味深いのは、屋根や道路など熱が蓄積しやすい表面に対して、スプレーまたはブラシで簡単に適用できる点です。

もう一つの民間企業で放射冷却技術を革新している例が SkyCool Systems です。

SkyCool Systems は、放射冷却を活用した高度な冷却ソリューションを開発するクリーンエネルギー企業です。同社のアプローチは、放射冷却素材をパネルシステムに統合し、蒸発圧縮ベースの冷却システムの効率を大幅に向上させることです。Ceracool と同様に、SkyCool Systems の先駆的な取り組みは、世界の冷却課題に対する有望な解決策を提示し、環境上の利益とエネルギーコスト削減の両方を提供します。

最終的な考察

結局のところ、気候変動への取り組みは持続可能なエネルギー源の活用だけにとどまってはなりません。これは確かに重要なアプローチですが、片手でジャグリングをするようなものです。むしろ、電力消費の非効率性にも対処するソリューションが必要であり、これこそが放射冷却製品の目的です。Aaswath Raman の啓発的な TED トークでは、私たちの冷却需要から生じる潜在的なフィードバックループに対処する重要性と、放射冷却がどのように役立つかが語られています。

さらに、バックコンタクト・マイクロメトリック光伏セル のような他のブレークスルーと組み合わせることで、Ceracool のような企業が今後数年で取り組むイニシアティブの結果として得られる利益を見るのは興味深いでしょう。