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暑さではなく湿気です
1日あたり約20時間発電でき、屋内や夜間でも稼働します。
小型医療センサーやその他の最小限の電力消費で必要な電力を、潜在的に発電できる方法は実に多様です。しかし、こうしたユースケースと、例えばセーターを着て歩きながらスマートフォンを充電できるような用途との間には、しばしば大きな隔たりがあります。発電デバイスは、大規模化が進まないか、スマートフォンに電力を供給するのにテントが数張り必要になるほどの低電力レベルからスタートするのです。
しかし本日、Nature誌に掲載された論文では、著者らが実現可能だとするデバイスが紹介されています。このデバイスは、低消費電力では医療用センサーに電力を供給し、高消費電力では太陽光パネルに匹敵するほどの性能を発揮するはずです。しかも、このデバイスに必要なのは周囲の湿度だけです。さらに素晴らしいことに、このデバイス開発の可能性は、全く別の研究をしようとしていた大学院生によって偶然発見されたのです。
低電圧の偶然の衝撃
驚くほど多くの科学的発見は、煩わしさから生まれます。宇宙マイクロ波背景放射（CMB）は、マイクロ波受信機の開発に携わっていた人々が、機器からハトの糞をすべて取り除こうと努力したにもかかわらず、不快なノイズ源を取り除けなかったことで有名です。最近の研究では、Xiaomeng Liuという大学院生が、バクテリアが作り出す繊維状のタンパク質を研究していました。多くの生物種において、これらの極微量の繊維は優れた伝導体であり、多くの研究室がそれらの特性と、それらを生成するバクテリアの特性を研究しています。
このケースでは、劉氏は細菌タンパク質の特性を調べる実験の一環として、細菌タンパク質の集合体を金属板の間に挟みました。しかし、タンパク質は電圧を発生し続け、装置がそれを記録しました。おそらくこの電圧が、劉氏が実際に行おうとしていたことの邪魔になったのでしょう。劉氏はこの電圧を除去しようと試みましたが、少なくとも大部分は失敗しました。
実際に電圧を除去できると思われる唯一の方法は、周囲の湿度を除去することでした。そこで、Liu氏と他の研究室メンバーは、漂遊電圧の除去から、湿度がどのようにして漂遊電圧を発生させるのかを理解することへと焦点を移しました。
最終的に、彼らはバクテリアから得られた微細なタンパク質繊維でコーティングされた導電性プレートからなるデバイスを開発しました。この繊維の上に、薄い電極片を配置しました。電極片間の隙間から空気が繊維に届き、湿気がメッシュ内に侵入できるようになります。
基本的な特性評価の結果、このデバイスは1平方センチメートルあたり約40ミリワットの電力密度で1ボルトの電圧差を生成できることが示されました。デバイスは1平方ミリメートルまで縮小した場合でも、あるいは相対湿度が20%（通常は砂漠でしか見られないレベル）まで低下した場合でも、0.5ボルトの電圧を生成できます。電圧はタンパク質繊維層の厚さが14マイクロメートルのときに最大に達したため、この動作にはそれほど多くのタンパク質は必要ありません。
重要なのは、このデバイスは約20時間連続して電力を生成できたものの、その間に電圧が約30%低下したことです。電流生成を5時間停止すれば電圧は完全に回復しますが、恒久的な性能低下なしにデバイスを何回リサイクルできるかは不明です（著者らは単に「繰り返し」と述べているだけです）。
いったい何が起こっているのでしょうか?
これらすべては、疑わしいほど自由エネルギーのように聞こえる。では、一体どうやってこれが機能するのだろうか？研究者たちは、このデバイスの機能には、タンパク質メッシュ層全体に湿度勾配が必要であると結論付けた。メッシュの表面では約27%の飽和度を、底面ではわずか3%の飽和度を測定した。吸収される水分子の一部は既にイオン化されており、残りの水分子はタンパク質の化学サブグループの一部をイオン化させ、形成される微小な液体ポケットに陽子を放出する。研究者たちは、これらのイオンこそが電極を通して電荷を移動させる能力を与えていると考えている。
これを確認するために、著者らはいくつかの関連ポリマーを試し、イオン化しやすい基が多数存在することが電気性能と関連していることを発見しました。
これはある程度理にかなっています。デバイス全体の水分の勾配は、片側にイオン化物質がもう片側よりも多く存在することを意味します。また、デバイスに再平衡化のための時間を与えることで、動作中に電荷を生成するために使用されたイオンの一部が回復する可能性があることがわかります。しかし、湿度は時間の経過とともにデバイス全体で徐々に均一化されるため、これがどのようにして無期限に維持されるのかは不明です。
それでも、論文の著者たちは、このデバイスから大規模なハードウェアを構築できる可能性に熱意を燃やしている。必要なのは空気へのアクセスだけなので、デバイスを積み重ねてより大きな構造物にすることが可能だ。研究者たちは、1メートル四方の立方体の中に空気の流れと湿度収集デバイスを均等に配置することで、1キロワットの電力を生成できると計算している。この数値は、1平方メートルあたり約200ワットの電力しか生成できず、当然積み重ねることもできない現代のソーラーパネルと比べても遜色ない。
これほど密集したデバイスで十分な空気の流れが得られるかは疑問ですが、空気の流れを改善するためにエネルギー密度を多少犠牲にすることは当然可能です。重要なのは、湿気の多い空気にさらされる場所であればどこにでも設置でき、夜間でも稼働させることができることです。
これらのデバイスが時間の経過とともに水分飽和状態にならないかどうかは、明らかに未解決の問題ですが、それだけではありません。タンパク質は環境中で時間の経過とともに分解する傾向があり、このデバイスの機能が繊維の構造維持にどの程度依存しているかは明らかではありません。また、このデバイスに使用されている材料は、培養されたバクテリアの表面から切り取ることで採取されています。これは大量生産を管理する上で、あまり経済的な方法ではないかもしれません。同様の化学組成を持つ代替ポリマーが機能する可能性はありますが、まだテストされていません。
最後に、研究者らによるデバイスモデルは、これらのタンパク質繊維が実際にはデバイスを構成する最も効率的な方法ではないことを示唆しています。研究者らの計算によると、このデバイスは理論上の最大値のわずか4%しか生成していません。つまり、実際にはどれだけ改善できるのか、という大きな疑問がまだ残されています。
Nature、2019。DOI: 10.1038/s41586-020-2010-9 (DOI について)。
ジョンはArs Technicaの科学編集者です。コロンビア大学で生化学の学士号、カリフォルニア大学バークレー校で分子細胞生物学の博士号を取得しています。キーボードから離れている時は、自転車に乗ったり、ハイキングブーツを履いて景色の良い場所に出かけたりしています。
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