南洋理工大学（シンガポール）の科学者が率いる国際研究チームは、ガラス窓パネルにコーティングすることで、世界の異なる気候帯の部屋の暖房や冷房に効果的に自己適応し、エネルギー使用量の削減に貢献する材料を開発しました。 NTUの研究者が開発し、トップページで報告しました。 科学雑誌「サイエンス, は、温度変化に応じて自動的に暖房と冷房を切り替える世界初のガラスです。
二酸化バナジウムナノ粒子複合体、ポリメタクリル酸メチル（PMMA）、低放射率コーティングを積層した自己適応型ガラスを開発し、加熱と冷却を同時に調節することができるユニークな構造を形成しています。
今回開発したガラスは、電気部品を一切使用せず、暖房と冷房に関わる光のスペクトルを利用することで機能します。夏場は、太陽熱（近赤外線）を抑え、表面から冷たい宇宙に向かって熱が放出される自然現象である放射冷却（長波長赤外線）を促進し、室内を冷やします。冬場は逆に部屋を暖める。赤外線カメラを使って結果を可視化した実験では、このガラスはさまざまな条件（室温～70℃以上）で制御された量の熱を放出し、天候の変化に動的に反応する能力を証明しました。
新型ガラスで冷暖房を調整
窓は建物の設計上、重要な部品の一つですが、最もエネルギー効率が悪く、最も複雑な部分でもあります。米国エネルギー省のデータに基づく試算によると、米国だけでも、建物の窓によるエネルギー消費（冷暖房）は、年間総一次エネルギー使用量の約4％を占めています。
熱を伝えにくくする低放射率コーティングや、着色することで室内への太陽光の侵入を制御するエレクトロクロミックガラスなど、このエネルギー需要を緩和するための持続可能な技術革新が他の科学者によって開発されてきましたが、これまで、暖房と冷房を同時に調節するソリューションはありませんでした。
本研究の研究代表者であるNTU材料科学工学部（MSE）のLong Yi博士は、「今日のほとんどの省エネ窓は、可視光や近赤外線による太陽熱増加の部分に取り組んでいます。しかし、研究者は長波長赤外域の放射冷却を見落とすことが多いのです。放射冷却に着目した工夫は壁や屋根に施されていますが、この機能は冬場には好ましくないものです。私たちのチームは、両方の波長に良好に反応するガラスを初めて実証しました。つまり、季節を問わず変化する気温に対応するよう、継続的に自己調整することができるのです。"
NTUの研究チームは、可動部品や電気機構に依存せず、視界を遮ることもないため、建物の省エネに役立つと確信しています。窓の性能を向上させるには、太陽光の透過と放射冷却の両方を同時に調整することが重要です。建物の省エネシミュレーションを主導した米国ワイオミング大学のGang Tan教授と中国武漢の華中科技大学のRonggui Yang教授は共同研究者としてこのように語っています。
「この技術革新は、エネルギー消費を最小限に抑えるための新たな研究の方向性を示すことで、従来のスマートウィンドウと放射冷却の間に欠けていたギャップを埋めるものです」と、Gang Tan教授は述べています。この研究は、NTU2025戦略計画を支える画期的な研究の一例であり、人類の持続可能性に関する大きな課題に取り組み、研究成果の環境への影響を軽減するイノベーションへの転換を加速させることを目的としています。
幅広い気候タイプに対応するイノベーション
そこで、地球上の全人口（7つの気候帯）をカバーする気候データを用いたシミュレーションを行い、省エネ性能を検証しました。
その結果、開発したガラスは温暖期と冷涼期の両方で省エネ効果を発揮し、中規模オフィスビルのシミュレーションでは、市販の低放射率ガラスよりも最大9.5%、年間33万kWh（シンガポールの60世帯の1年間の推定電力量）削減できることを確認しました。
この研究の筆頭著者であるWang Shanchengは、Long Yi博士の元博士課程の学生で、研究員でもあります。「この結果は、暑さや寒さといった季節による温度変化に関係なくエネルギー使用を削減できるため、あらゆる気候で我々のガラスを適用できる可能性を証明します」と述べています。このことは、季節変動の少ない地域で限定的に使用される傾向にある現在の省エネ窓とは異なる点です」と述べています。 さらに、彼らのガラスの冷暖房性能は、対象となる市場や地域のニーズに合わせてカスタマイズすることができます。
「ガラスに塗布する特殊なナノコンポジット膜の構造や組成を調整することで、窓ガラスに限らず、さまざまな熱対策に利用できる可能性があります」とLong Yi博士は述べています。
米国メリーランド大学材料イノベーションセンター長のLiangbing Hu教授（ハーバート・ラビン特別教授）は、「ロング博士と共同研究者は、近赤外線と長波長赤外線を制御できるスマートウィンドウを独自に開発しました。このスマート窓の利用は、建物の省エネ・脱炭素化にとって非常に重要であると考えられます。"と述べています。
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