ヴォイニッチの科学書 Chapter-435

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ヴォイニッチの科学書
2013 年 3 月 9 日
Chapter-435
熱電発電

http://www.febe.jp/
http://obio.c-studio.net/science/

配付資料

金属または半導体の両端に温度差をつけること

下の図は名古屋大学大学院光学研究科吉田研究室

により、その両端間に電圧が発生するゼーベックより引用

効果を応用した発電を熱電発電と呼びます。ゼー

http://www.ees.nagoya-u.ac.jp/~web_dai1/thermoelectric.html#page_top

ベック効果はすべての物質で生じますが特に半導体では効果が大きく、電圧は温度差に比例して大きくなります。近年のエネルギー問題への関心の高まりから、膨大な量の未利用廃熱を有効活用できる熱電発電は注目を集めています。特に、自動車や工場の高温排気中の中温廃熱(300～500 ℃)の回収・利用が求められています。
しくみとしては物質を加熱すると、キャリア（負の電荷を持った電子、あるいは正の電荷を持った正孔）が生じます。一方、冷却されている端ではそういうものの発生がほとんどないため、キャリア密度バランスが崩れ、加熱端から冷却端にキャリアが流れます。
一方、加熱端においてキャリアが流れ出て行っ北陸先端科学技術大学院大学などの研究者らがた跡は、キャリアと反対符号の電荷を持つため、自然界に存在し、身近な元素である銅と硫黄を多加熱端と冷却端の間に電位差が生じます。これがく含む鉱物のテトラへドライトが、400 ℃付近でゼーベック効果です。この状態で加熱端と冷却端高い熱電変換性能を示すことを発見しました。本を導線でつなぎ負荷を与えることで、電力を取り温度領域で有望とされている熱電材料は鉛などの出すことができます。ちなみに、ゼーベック効果

有害元素を多量に含有し、このことが実用化の大の逆がペルチェ効果で、電気を熱に変換する現象きな障壁となっています。身近な元素からなる材です。ペルチェ素子はコンピューターや精密測定料を用いた、環境にやさしい熱電発電の実現に大機器などの冷却装置として広く使われていますね。

きく寄与するものです。
テトラへドライトは天然に存在する鉱物で、立たとえば PLC のカラムオーブンとか、オートサンプラなどに利用されています。

方晶構造を持ち、その単位胞中には 58 個もの原子1/3

ヴォイニッチの科学書 Chapter-435が含まれます。結晶構造は、CuS4 四面体、CuS3 三つ物質にも注目して材料開発・探索を進めます。

角形、SbS3 ピラミッドから形成されるため、非常また、世界に先駆けて、環境にやさしい鉱物熱電に複雑です。北陸先端科学技術大学院大学だけで発電システムを開発することで、持続可能な社会なく、2012 年末には米国・ミシガン州立大のグルの実現に貢献します。

ープが Zn(亜鉛)と Fe(鉄)を置換した材料における高い熱電変換性能を報告するなど、世界的に注目解析に使用された Spring-8 の空撮を集めています。 （Sb：アンチモン）

テトラへドライトの高い熱電変換性能は、シリカガラスの半分程度という極端に低い格子熱伝導率に起因します。低い熱伝導率の理由を明らかに

ちょきりこきりヴォイニッチするため、大型放射光施設 SPring-8 の放射光を用今日使える科学の小ネタ

いた粉末 X 線回折実験を行い、結晶構造と原子の振動を詳しく調べました。その結果、CuS3 三角形▼服にペタッと体温発電の中心に位置する Cu 原子が、三角形面に垂直な方開発 医療機器などに応用へ

富士フイルム、シート向にゆっくりとした大振幅振動することを明らかにしました。この結果から、Cu の異常大振幅原子

富士フイルムは産業技術総合研究所と共同で、振動が、硬い Cu-Ni-Sb-S ネットワークを伝搬する

人間の体温と外気との温度差を利用して熱電発電熱を阻害することで、低い熱伝導率が実現したとする樹脂製シートを開発しました。厚さは 0.4 ミ考えられます。

リメートルしかなく柔らかいので体や服に張りつ

今回の研究では、鉱物資源として古くから知らけて携帯機器の補助電源に使えそうなほか、テレれていた硫化鉱物が、実用中温領域で高い熱電変ビから出る熱や浴室の蒸気、日が当たるカーテン、換性能をもつことを発見しました。加えて、鉱物自動車の車体なども発電源になるということです。

における低い熱伝導率をもたらす結晶構造の特徴

性能や耐久性を改良し、５年以内の製品化を目指を示したことは、より高い性能をもつ熱電発電硫しています。

化鉱物の開発に繋がり、環境にやさしい熱電発電の実現に大きく寄与するものです。

▼宇宙とほぼ同年齢の第二世代の星を発見

テトラへドライトの性能を向上させると共に、高性能熱電材料の発見を目指して、類似構造をもペンシルベニア州立大学の天文学者が地球から2/3

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わずか 190 光年の距離に最低でも 132 億年前に誕下の温度はありません。そこで、あ、やっぱり絶生した星を見つけました。年齢は星の明るさなど対零度が一番温度が低いのよね・・・っていうこを元に計算で得ました。ビッグバンが 137 億 7000とになります。

万年前の出来事ですので、宇宙誕生とほぼ同時にところが、ドイツの物理学者がカリウム原子の生まれたことになります。 この星は誕生から長い量子気体を作ったんです。カリウム原子を絶対零年月が経過したので水素をほぼ使い尽くす状態に度付近で格子状に規則正しく並べた状態なのです

あって、成分的には水素とヘリウムからなります。

が、温度がプラスの通常では原子同士は反発し合

ところが、よく観察してみると、重い元素が含まうわけですが、この状態から磁場をコントロールれているんです。これらの重い元素は別の星が超して原子同士が引き合うようにしてみたんです。

新星爆発を起こしたときに放出された物と思われ普通なら原子の配列は内側に向かって崩れてしまますので、実はこの星は宇宙の第二世代の星だとうところをレーザーで原子をコントロールして同いうことなんです。少なくとも 132 億年前には第じ位置に保つようにしたところ、エネルギー状態一世代の星が超新星爆発を起こしていたと言うこが反転したんですね。つまり、エネルギーと温度とで、宇宙の密度が高い頃に誕生した第一世代のの関係のグラフの Y のプラスマイナスが反転した

巨大な星は数百万年の寿命で超新星爆発し、思っんです。そうするとどうなるかといえば、自然状たよりも早く第二世代の星が誕生したらしいと言態で、ほとんどの粒子がエネルギーを持たない状うことです。

態でごく一部がエネルギーを持ってた状態、つまりこの時はごく一部の点がｙ軸上の正の方向にあ▼絶対零度ったものが、状態が反転したことによって同じだ
け負の方向に行ってしまったんです。この時の温絶対零度が一番低い温度か、というとどうも最度は絶対零度の数億分の 1 度ほど低い状態だった

近はちょっと違うようです。絶対温度というのは、のですが、このような量子気体は絶対零度よりも何があってもそれよりも温度が下回ることがない低い温度を持ち得たと言うことになります。

点を０度として目盛ってあるのですが、それは粒

量子気体はもともと、原子配置が内側に崩れる子が全くエネルギーを持たない理論的状態を意味ようなエネルギーの動きを持っているのですが、しています。粒子が持つエネルギーから温度をど絶対零度以下の温度と原子配置が安定する状態がうやって導き出すかと言えば、グラフの横軸に粒同じ意味となっていて、ダークエネルギーと性質子のエネルギーをとって、グラフの縦軸に温度をが似ているんです。ダークエネルギーは宇宙をど取ると、両者の間は 1 本のグラフで描けます。ここまでも膨張させる不思議な力を持っていますが、のグラフ上の点はほとんどグラフから離れること量子気体も絶対零度以下になることによって、外はないのですが、ごくわずかに温度が高い側、つ向きの力が発生して原子配列が安定した、というまり、ほとんどすべての粒子は同じ振る舞いをすことなんですね。基本的に、絶対零度以下の量子るのだけれど、中に少しだけより活発に跳ね回る気体はせき力を持つと言うことになるのですがダ粒子がある、そういうイメージです。ただ、それークエネルギーと共通すると言うことです。

ですと、エネルギー０の点、つまり Y 軸上を見ても絶対零度よりも上の温度はあり得るのですが、3/3