排熱から電気に！　持続可能で効率の高い熱電材料をめざして

身の回りの未利用の熱エネルギー

工場やオフィス、家庭、自動車のエンジンなど、社会のさまざまな場所で「熱」が発生しています。その一部は再利用されており、例えばゴミ焼却の熱で温められた水が温水プールに利用されています。しかし全供給エネルギーの利用効率は約3割に過ぎず、残りは未利用のままで熱として捨てられているのです。この熱を電気エネルギーに変換できれば、エネルギー資源の節約やCO₂排出量の削減に大きく貢献できます。それを実現するためには、熱を効率よく電気に変換する「熱電材料」が必要です。

電気を通して熱を通さない

熱電変換は、物体の両端に温度差を生じさせると電位差が生まれるゼーベック効果を利用します。このとき物体が熱を伝えやすいと温度差を保てなくなるため、望ましいのは熱伝導率が低いガラスのような材料です。しかし、ガラスは電気を通しません。熱を伝えにくく、電気を伝えやすい、相反する性質を同時に満たす「フォノングラス－エレクトロンクリスタル」を実現することが目標です。社会で広く活用するためには、資源量が豊富で環境負荷が小さい材料であることも重要です。

夢の熱電材料の実現

これを達成するために、クラスレート化合物と呼ばれる「かご状の結晶構造」を持つ材料が注目されています。その一つとして、シリコンとアルミニウムの「かご構造」にバリウムを閉じ込めた半導体が作られました。この材料は熱の伝導をガラス並みに抑える一方で、電気の伝導を効率よく行う特性を持つことが確かめられています。
カーボンナノチューブやグラフェンなどの炭素系ナノ材料も有力な候補です。カーボンナノチューブは軽量で強度が高く、柔軟なデバイスを作るのに適しています。これを用いた熱電変換デバイスの試作品が既に開発されており、工場の配管の漏れを検知する実証実験が進められています。
熱電変換に適した材料は温度帯によって異なります。現在の熱電材料は100℃以上が必要ですが、家庭で発生する小さな熱や人の体温から発電できる日も遠くないかもしれません。

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先生情報 / 大学情報

山陽小野田市立山口東京理科大学工学部電気工学科教授阿武宏明先生

興味が湧いてきたら、この学問がオススメ！

電子材料工学、半導体工学、熱電工学

先生が目指すSDGs

メッセージ

関心を持ったり、好きな学問が生かせたりするところに気がついたら、そこを追求していくとどんどん面白くなると思います。電気電子工学の「ものづくり」にも、ソフトウエア、電子回路、材料など、いろいろな分野があります。私はもともと物理学が好きで、それが生かせる材料の研究に進みました。高校で学ぶようなマクロな物理学と、物質の中の目に見えないミクロな世界の物理学の両方を扱えることを楽しんでいます。あなたも、自分の好きなことを見つけ、追求して、生かせる場所を探してください。

先生への質問

先輩たちはどんな仕事に携わっているの？

山陽小野田市立山口東京理科大学に関心を持ったあなたは

山陽小野田市立山口東京理科大学は「確かな基礎教育」を掲げ、基礎学力を育成する体系的な教育を行っています。2016年4月、公立大学法人へと移行、2018年4月西日本初の公立の薬学部を設置し、工学部・薬学部の二学部体制となりました。東京理科大学の姉妹校として、基礎学力を重視した実力主義の教育を受け継ぎ、工学・薬学の専門的な学術を教育・研究するとともに、地域産業界・医療界で活躍する人材を育成します！