塩と氷の組み合わせが切り拓く、廃棄物ゼロの新規発電技術

科学者たちは、塩、氷、そして機械的な応力というごく単純な組み合わせが、廃棄物を一切出さずに電力を生み出すことを発見しました。これは、凍結環境からの再生可能エネルギー回収に新たな道を開くものです。研究チームは、9月15日に学術誌『Nature Materials』で報告しており、重量比で約25パーセントの塩分を含む、黒胡椒の粒よりもわずかに小さい円錐形の塩氷が、約1ミリボルトの電位を発生させると述べています。このような円錐形を2,000個集積させたアレイを構築すれば、約2ボルトの電力を得ることが可能であり、これは小型の赤色LEDを点灯させるのに十分な量です。

この電力生成の背後にある原理は、「フレキシオエレクトリック効果」として知られています。これは、固体材料が不均一な機械的変形を受ける際に電気電荷を生成する現象です。純粋な氷も、雷の発生など大気中の電気現象に関連する弱いフレキシオエレクトリック効果を示しますが、一般的な不純物である塩が存在することで、氷は電流を発生させるはるかに効率的な発電体へと変貌します。

物理学者のウェン・シン（Xin Wen）氏とその同僚たちは、この研究をさらに推し進めました。彼らは、塩水を円錐形や梁の形状に凍結させ、その後、特殊な装置を用いてこれらの塩氷の形状を曲げ、発生した電荷を測定しました。その結果、円錐形状がより大きな力に耐え、より高い電圧を発生させることが判明しました。さらに、小型の円錐ほど、ひずみによって誘発される電気出力が大きくなる傾向が見られました。したがって、小型円錐を多数配置したアレイは、塩氷構造からの電力出力を増幅させる大きな可能性を秘めています。

この現象の根本的なメカニズムは、氷の結晶粒の間に閉じ込められたナノスケールの液体ブライン（塩水）層に関係しています。氷が曲げられると、圧力勾配が生じ、この帯電したブラインが圧縮された領域から引き伸ばされた領域へと押し出されます。ブラインには正に帯電したイオン（陽イオン）が含まれているため、その移動が「ストリーミング電流」を生み出します。このストリーミング・フレキシオエレクトリック効果は、塩が氷の微細構造に与える影響、すなわち氷の結晶粒径の縮小、ブラインチャネルの厚さの増大、誘電特性およびイオン輸送を向上させるための水分子挙動の変化を通じて、著しく増強されるのです。

発生する電力出力は依然として控えめであるものの、この発見は、塩氷が寒冷地における再生可能エネルギー源として機能し得ることを示唆しており、センサーや低消費電力デバイスへの給電が期待されます。しかしながら、この技術を日常的な電子機器の駆動レベルまでスケールアップするには課題が残ります。例えば、スマートフォンを充電するためには、数十平方メートルから数百平方メートルにも及ぶ巨大な塩氷の塊が必要になるかもしれません。現在、研究は効率の向上と、こうした氷ベースのエネルギーハーベスターの環境負荷低減を目指して進められています。

結論として、自然界に存在する塩分を含んだ氷におけるフレキシオエレクトリック効果に関するこの新たな知見は、持続可能なエネルギー解決策の可能性を高めるだけでなく、地球物理学的な現象の解明にも貢献します。さらに、広大な表面を塩氷が覆う、エウロパやエンケラドゥスといった太陽系内の氷の衛星に関する研究にも示唆を与えるものとなるでしょう。これはまさに、足元にあるもので未来を照らす、一歩踏み込んだ研究と言えます。