私たちの身の回りの車やパソコン、スマホからは「熱エネルギー」が放出され、環境中にあふれています。仮に、環境に放出された熱エネルギーを再び集めて電気に変える「環境発電」を実現できれば、持続可能な社会の実現に繋がります。しかし、環境に拡散している熱エネルギーは密度が低く、従来の技術では、その熱エネルギーを集めて発電に使うことは不可能でした。これを実現する技術を開発したのが東京農工大学の研究チームです。研究チームは、空間中の熱エネルギー、つまり赤外線を漏斗のように集める人工材料「メタマテリアル」と、熱を電気に変換する「熱電変換」の技術を組み合わせることで、世界で初めて、環境中の熱（熱輻射）を使って発電する「メタマテリアル熱電変換」を提案・実証しました。昼夜を問わず発電する環境発電が実現すれば、配線や電池交換が難しい場所のIoT（モノのインターネット）センサーの電源などへの展開が期待されます。本記事では、メタマテリアルがなぜ熱エネルギーを集めることができるのか、そして集めた熱どのように電気に変換するのか、紹介します。この「メタマテリアル熱電変換」は、これまで“捨てられてきた環境中の熱”を電力へ変える、新しい発電技術です。
環境に拡散する熱エネルギーの正体は、電磁波の一部である赤外線（熱輻射）です。人工材料メタマテリアルは赤外線を吸収するように設計した電磁波吸収体です。メタマテリアルは高い吸収断面積をもちます。これは、メタマテリアルの実際の面積よりもより広い範囲から熱輻射エネルギーを集められることを意味します。つまり、メタマテリアルは漏斗のように環境中の熱エネルギーを集めることが出来ます。さらに、メタマテリアルで集めた熱を、熱を電気に変換する熱電変換デバイスに与えることで、環境中の熱エネルギーを利用した発電を、世界で初めて実現しました。例えば、温度や湿度を測る環境センサー、建物の状態を監視する装置、将来のIoT（モノのインターネット）機器などの電源としての展開が期待されています。
大学の研究では、より効率よく熱エネルギーを集めるために、メタマテリアルの構造をマイクロメートルの精度で精密に設計・作製しています。赤外線を強く吸収するメタマテリアル形状や配置を、深層学習によって最適化することで、より多くの熱エネルギーを集めるメタマテリアルの実現を目指しています。
メタマテリアル熱電変換の利用は、環境発電だけにとどまりません。実は研究グループは、メタマテリアル熱電変換を高集積電子デバイスの「冷却技術」に展開できる可能性も見いだしました。人工知能AIの普及により、パソコンやサーバーがより高性能化し、それに伴って発熱も増加しているため、冷却が大きな課題となっています。もしパソコン筐体内などに存在する熱をメタマテリアルで回収し、熱電変換によって電気として外部へ取り出せれば、その分だけ内部に残る熱が減り、パソコン内は冷却されることになります。コンパクトなデバイスであるメタマテリアル熱電デバイスはまさに、発熱が増大する高集積電子デバイスに対し、冷却とエネルギー回収を同時に目指せる技術として活用できると期待されます。
このようにメタマテリアル熱電変換は、環境発電に加えて環境冷却への応用も視野に入れた技術として、例えば、道路表層の熱を利用して発電をしつつ、同時に熱を取り出すことで道路温度の低減にも寄与する、といったハイブリッドの効果が期待できます。社会のさまざまな場所の環境に存在している環境熱から電気を作り出せるようになれば、省エネルギー社会の実現に繋がると考えられます。
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