TANOKAGA! ~たのしい科学~

教科書では語られない科学ネタの紹介・解説を中心とした、学生向けのブログ

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ここは、私が「気になった科学ネタ」「自作した動画教材」などを紹介するブログです。

教科書には詳しく載っていない事柄で、かつ授業で使えるかもしれないネタを中心に記事にしようと思います。 視聴覚素材の利用や、わかりやすい解説で、中学生や高校生が理解できる記事を書いていきたいです。
もちろん、科学に興味を持った大学生以上の方も大歓迎です。 ただ、その道の専門を学んでいる方にとっては、簡単ゆえに物足りないかも知れません。

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「熱電発電」という発電方法を知っていますか?
熱電変換素子という半導体に、外部から熱(正確には温度差)を与えると、電圧が生じる現象を利用した発電方法のことです。

今回は、あまり耳にする機会のない熱電発電について、解説していきます。
熱電発電は未来の発電システムとして注目されているのですが、実は、数十年前にすでに実用化されているのです。その利用場所はなんと宇宙! 太陽系外の探査に、大活躍しているのです。

voyager.jpg
熱電発電のしくみを利用した原子力電池を搭載した宇宙探査機ボイジャー1号

熱電発電のしくみや、利用用途など、詳しくは以下から。
例えばモーターに電流を流すと、モーターが回転運動をしますよね。
逆にモーターを手動で回転させると、電磁誘導によって電流が流れますね? これは発電機の仕組みです。
つまり、モーター(発電機)は、電気エネルギーと運動エネルギーを相互に変換できる装置なのです。

熱電変換素子はこれと同じようなものです。
熱電変換素子に電流を流すと、素子の片面は熱く、反対面は冷たくなります。
逆に片面を熱くして、反対面を冷たくすると、電流が流れるのです。
つまり、熱電変換素子は、電気エネルギーと熱エネルギーを相互に変換できる装置と言えるでしょう。

熱電変換素子の正体は、特殊な半導体です。
熱を与えると、半導体中のプラス,マイナスの粒子が移動することによって、電流が発生するのです。
「半導体中のプラス,マイナスの粒子が移動する」ということに関して言えば、太陽電池と仕組みは似ていると言えるでしょう。

ちなみに熱電変換素子は、ペルチェ素子と言われることがあります。
前述のように、電気を流すだけで加熱・冷却が自由自在でスペースも取らないので、ワインセラーやコンピュータチップ用高級クーラーなどに使われており、一般の市場で入手することができます。
パソコンに詳しい人は、聞いたことがあるのではないでしょうか?

しかし熱電変換素子のもっぱらの用途は、「電気→熱」の変換です。この逆の「熱→電気」変換を利用したのが熱電発電です。
工場などから出る廃熱は、そのまま空気中に捨てられてしまいますよね。これは熱エネルギーを無駄にしていると言うことになります。つまり、この廃熱を熱電発電に利用すれば、無駄になるエネルギーが減ることになりますよね! これは画期的なことです。

まだまだ熱電発電は実験段階の技術です。安価・長持ち・高効率な熱電変換素子の開発が急ピッチで進められているそうです。
現在、草津温泉では、温泉の熱さと湧き水の冷たさの温度差を利用した、熱電発電の実験が行われています。

しかし熱電発電が大成功を収めているのが、宇宙探査の用途です。
通常、人工衛星や宇宙探査機は、太陽電池によって稼働しています。しかし、太陽から遠く離れた宇宙空間では、太陽光が弱いために太陽光発電をすることができません。
そのような遠い宇宙空間に向かう探査機には、原子力電池というものが積まれています。
原子力電池には様々な種類があるのですが、熱電発電の仕組みを利用したものが最もポピュラーです。
構造は、放射性元素であるプルトニウムと熱電変換素子をサンドした単純なものです。
プルトニウムは放射線を出す時に熱エネルギーを放出します。その高熱と、宇宙空間の絶対零度近い低温による温度差で、電気を作るのです。
この原子力電池のメリットは、プルトニウムがある限り、ずっと電気を作り続けることができると言うことです。もちろん、太陽光なんて必要ありません。
そしてその寿命もハンパなく長いです。打ち上げから30年以上経過した宇宙探査機ボイジャー1号は、太陽系外近くを飛行していながら今も観測データを地球に送り続けています!

このように、未来の発電方法と期待される熱電発電は、実は何十年も前から宇宙で活躍していたのです。
遠い遠い宇宙の神秘に思いをはせながら、ペルチェ素子のCPUクーラーを購入してみてはいかが? 高いけど(笑)
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