天然ガスや電気を使わずに家庭の温度を調節する画期的な技術
天然ガスや電気を使わずに、冬は暖かく、夏は涼しい、オールシーズン対応のスマートルーフ塗料を開発しました。研究成果 科学雑誌「Science」に報告 は、市販のクールルーフシステムを上回る省エネ効果を発揮する画期的な技術であることを指摘しています。
「私たちのオールシーズン・ルーフコーティングは、外気温度に応じて、涼しさと暖かさを自動的に切り替えます。と、バークレー研究所の材料科学部門の科学者であり、カリフォルニア大学バークレー校の材料科学・工学の教授でもあるJunqiao Wuは述べています。
反射膜、膜、屋根板、タイルなど、今日の涼しい屋根のシステムは、表面が淡色または濃色の「涼しい色」になっており、太陽光を反射して家を涼しくします。また、吸収した太陽熱の一部を熱赤外線として放出する。この自然現象は放射冷却として知られており、熱赤外線は表面から放射される。
現在市販されているクールルーフの問題点は、冬場も熱を放射し続け、暖房費を押し上げてしまうことだと呉は説明する。
「私たちの新素材は、温度適応型放射コーティング（TARC）と呼ばれ、冬になると放射冷却を自動的に停止し、過冷却の問題を克服することでエネルギー節約を可能にします」と彼は述べています。
オールシーズン使える屋根
金属は通常、電気と熱の伝導性に優れている。2017年、Wuと彼の研究チームは、二酸化バナジウムの電子が、電気に対しては金属のように振る舞い、熱に対しては絶縁体であること、つまり、熱をあまり伝えず電気をよく通すことを発見しました。"この挙動は、電子が熱と電気を比例して伝導する他のほとんどの金属とは対照的です "と、Wu氏は説明します。
二酸化バナジウムは、摂氏約67度（華氏153度）以下では、熱赤外光に対して透明である（つまり、熱を吸収しない）。しかし、二酸化バナジウムが摂氏67度になると、金属状態になり、熱赤外線を吸収するようになるのです。このように、ある相から別の相へ、この場合は絶縁体から金属へと変化する能力は、相変化材料として知られているものの特徴である。
呉教授の研究チームは、二酸化バナジウムが屋根のシステムでどのように機能するかを調べるため、2cm×2cmのTARC薄膜デバイスを作製した。TARCは「スコッチテープのような形をしていて、屋根のような固い表面に貼り付けることができます」とWu教授は言う。
共同研究者のケチャオ・タンは、昨夏、ウーのイーストベイの自宅で屋上実験を行い、この技術が実環境で使用可能であることを実証した。
Wu氏の自宅のバルコニーに設置された無線測定器は、TARCサンプル、市販の暗い屋根サンプル、市販の白い屋根サンプルの直射日光と外気温の変化に対する反応を数日間にわたり連続的に記録した。
TARCの省エネ性能について
次に研究者たちは、この実験のデータをもとに、アメリカ大陸の15の気候帯を代表する都市で、TARCが年間を通じてどのような性能を発揮するかをシミュレーションした。
呉の入隊 ロネン・レビンソン, のスタッフ科学者でありリーダーでもある、この研究の共著者の一人です。 ヒートアイランドグループ バークレー研究所の エネルギー技術領域, Levinsonは、屋根表面温度のモデル改良に協力しました。Levinsonは、ヒートアイランドグループが以前に行った10万件以上の建物エネルギーシミュレーションから、TARCの省エネ効果を推定する方法を開発し、次のように説明しました。 クールルーフとクールウォールの効果を評価する を、全米で展開しています。
オークランドにあるEast Bay Innovation Academyの12年生で、昨年Wu社の夏季インターンとしてリモートで働いたFinnegan Reichertzさんは、論文のために研究者が調べた15の都市または気候帯ごとに、TARCと他の屋根材が年間を通じて特定の時間、特定の日にどのように機能するかのシミュレーションに協力しました。
その結果、15気候帯のうち12気候帯で、特にサンフランシスコ湾岸地域のように昼夜の温度差が大きい地域や、ニューヨークのように冬と夏の温度差が大きい地域で、TARCが既存の屋根用塗料よりも省エネ効果が高いことが判明したのです。
「TARCを導入すれば、米国の一般家庭で最大10％の節電が可能です」と、研究当時、ウー研究室の博士研究員だったタン氏は語る。現在、中国・北京大学の助教授を務めている。
標準的な涼しい屋根は、涼しい気候でも日射反射率が高く、熱放射率（熱赤外線を放射して熱を放出する能力）も高い。
TARCは、年間を通して太陽光を約75％反射するが、気温が25℃以上では熱放射率が約90％と高くなり、空への熱流失を促進することがわかった。涼しくなると、TARCの熱放射率は自動的に低くなり、太陽光の吸収や室内の暖房による熱の保持に役立つとLevinson氏は言う。
バークレー研究所のMolecular Foundryの高度なツールを使用した赤外線分光実験から得られた知見は、シミュレーションの妥当性を証明しました。
「単純な物理学ではTARCが機能することは予測できましたが、これほどうまく機能するとは驚きでした」とWuは言います。「もともと私たちは、温暖化から冷却化への変化はそれほど劇的なものではないと考えていました。しかし、シミュレーションや屋外実験、研究室での実験によって、そうではないことが証明されたのです。
研究者たちは、TARCのプロトタイプをより大規模に開発し、実用的な屋根塗装としての性能をさらに検証する予定です。また、TARCは、スマートフォンやノートパソコンのバッテリーを長持ちさせたり、人工衛星や自動車を極端な高温や低温から保護する熱防護膜としての可能性もあると呉は言う。また、テントや温室のカバー、さらには帽子やジャケットなどの温度調節が可能な布地を作るのにも使えるかもしれない。
この研究の共同研究者は、Kaichen DongとJiachen Liである。
Molecular Foundryは、バークレー研究所のナノサイエンス利用施設です。
この研究は、主にDOE Office of ScienceとBakar Fellowshipの支援を受けて行われました。
この技術は、ライセンス供与や共同研究に利用できます。ご興味のある方は、バークレーラボの知的財産室までご連絡ください。ipo@lbl.gov.
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