コロラド大学ボルダー校の研究チームは、火力発電所や家屋の冷却に使用できるメタマテリアルシートを作製した。さらに同材料をロールtoロール方式で量産する技術も開発した。電力や水を消費せずに建物などを冷却する技術として注目される。研究論文は科学誌「Science」に掲載された。

ロールtoロール方式で作製された冷却用メタマテリアルシート(出所：コロラド大学ボルダー校)

すべての物体は電磁波を放射しており、放射した電磁波の分だけその物体の温度は下がる。この現象は放射冷却と呼ばれる。冬場の天気予報でよく耳にする「放射冷却現象」も、この原理によるものであり、風のない晴れた日の夜間から明け方にかけて地表から放射された電磁波が、澄んで乾いた大気を通り抜けて宇宙空間に放出されるため気温が下がると説明できる。

放射冷却では、外部からエネルギーを投入することなく物体が冷えていく。したがって、この現象を利用すれば電力を消費せず、また冷却水なども使わずに建物の空調ができると考えられる。ただし日中は、建物の外壁や屋根の表面に入射する太陽光のエネルギーが、表面から放射される電磁波を上回るため放射冷却の効果は打ち消されてしまう。このため、太陽が出ている時間帯に、放射冷却を空調に利用することは現実的には難しいとされてきた。

研究チームは今回、自然界には存在しない人工的な構造をもつメタマテリアルを作ることで、放射冷却を日中の建物の空調・冷却に利用できるようにすることを試みた。開発したメタマテリアルは、ガラスのマイクロ球を高分子の母材中にランダムに埋め込んだシート状の材料であり、厚さは調理用アルミホイルと同じ50μm程度とした。

このメタマテリアルシートは、光の反射率が高く、太陽光が当たってもほとんど温度が上昇しない。同時に、材料自身は赤外線放射によって熱を外部に逃がすように設計されている。さらにシートの裏地に銀の薄膜をコーティングすることでスペクトル反射が最大化される。

論文によると、銀コーティングをした場合のメタマテリアルの放射冷却力は、日中の直射日光の下で熱流密度93W/m2となっている。

個人住宅であれば、10～20m2の面積のシートを屋根にかぶせることで、夏場の日中でも室内温度を快適に保てるという。火力発電所の冷却用に使用される大量の電気と水をメタマテリアルによる放射冷却で置き換えられる可能性もある。その他に、直射日光による太陽電池パネルの温度上昇を防ぐことで、パネルの変換効率や寿命を向上させるといった効果も期待できる。

同校では、メタマテリアルシートの商用化の可能性を探るため、2017年中に広さ200m2の実験用「冷却ファーム」を構築する計画であるという。