「太陽神服」が登場！中国の大学が24時間一定温度を保つスマート服を開発、とてもクール

この冬は寒すぎる。中央気象台は12月16日、今年初の低温警報となる黄色の低温警報を発令した。今後1週間、私の国のほとんどの地域で気温は低いままでしょう。

こんな気温だと、どんなに服を着ても寒さに耐えられないようです。おそらく、南開大学の着用可能な体温調節服は、「着込んで暖かく過ごす」のに役立つでしょう。

最近、南開大学の研究チームは、一日中太陽エネルギーで動く双方向温度調節衣類システムを開発した。このシステムは、急速な温度調節により、温熱快適ゾーンを22℃～28℃から12.5℃～37.6℃に拡大し、体温調節速度が速いため、複雑で不安定なさまざまな環境でも人体の安全性と快適性を確保します。

さらに、このデバイスは太陽エネルギーによって自己駆動されるため、追加の電源は必要ありません。

「太陽光のみを使用した自立型終日体温調節個人服」と題された関連研究論文が『サイエンス』誌に掲載されました。

同時に公開された関連記事には、「王氏らの包括的なデバイスは、能動的に制御され、自己発電型のウェアラブルな局所熱管理システムの開発に幅広い展望を開くとともに、過酷な環境に対する人間の適応性を拡大するさまざまな可能性を提供する。このイノベーションは、24時間体制でエネルギー供給の制約を心配する必要がない熱管理システムの将来像を示しており、特殊な状況下でも、収集した追加のエネルギーを電子機器の電源として使用できる。」と書かれている。

涼しく、暖かく、あらゆることに熟達

衣服は体温のバランスを保ち、体温を快適に保つ上で重要な役割を果たします。快適な屋内環境から暑いまたは寒い屋外の環境に出ると、すぐに適応できない場合は不快感や病気を引き起こす可能性があります。寒冷な極地や宇宙旅行などの過酷な環境ではさらに困難になります。そのため、ウェアラブルな温度調節衣類は、スマート衣類システムにおいて長年求められてきたが、困難な目標であった。

現在、人類は多くの体温調節システムを開発しており、それらは主に受動システムと能動システムに分けられます。しかし、パッシブシステムのうち、ほとんどの太陽光発電システムは一方向の熱調節しか実現できず、双方向の熱調節システムでは効率、応答速度、調整可能な温度範囲を改善する必要があります。一方、アクティブシステムには、機械的な複雑さ、エネルギー消費量の高さ、効率の低さなどの欠点があります。

そこで、研究者らは、体温調節衣類の持続可能性、柔軟性、軽量性を実現するために、有機太陽電池と電気熱量効果セルを必要な柔軟性を備えた単一のデバイスに組み合わせることで、ウェアラブル熱管理システム（OETC）の設計と製造に成功しました。

この研究では、効率が高く、エネルギー消費量が少なく、双方向の熱調節特性を持ち、汚染のない、最近開発された電気熱量効果（EC）デバイスを選択しました。たとえば、柔軟な電気熱量熱調節器は、エネルギーコストが非常に低く、性能係数 13 を達成でき、グラムあたり 2.8 ワットの比冷却力を備えています。

さらに、OETC は双方向の熱管理を実現し、暑い天候では皮膚を 10.1°C 冷却する一方で、暗闇や夜間には有機太陽電池によって得られる追加エネルギーによって人体を素肌よりも 3.2°C 暖かく保ちます。さらに、最初の 5 秒間で、最大皮膚加熱速度は 15.6°C/分に達し、最大冷却速度は 14.0°C/分に達し、急速な温度調節を実現します。

図 |柔軟な OETC を着用して作業する場合、必要に応じて個人の温熱快適性を実現するために、暑い環境 (太陽の下) と寒い環境 (暗闇の中) を循環します (出典: 論文)

周囲温度が 12.5°C ～ 37.6°C の間で変動する場合でも、OETC は人体の皮膚温度を 32.0°C ～ 36.0°C の温熱快適ゾーンに維持します。

EC 機器の低エネルギー消費の恩恵を受け、 OETC システムは 12 時間の太陽エネルギー入力で 24 時間稼働できます。その結果、このシステムは制御可能な全天候型デュアルモードと優れた温度調節性能を兼ね備え、太陽光のみをエネルギー源として過酷な環境でも人々の快適性を高めます。

さらに、このシステムは人間の皮膚にうまくフィットしました。この研究では、人体に合わせた屈曲状態でのテストを通じて、さまざまな姿勢での安定性が証明されました。研究者らは、さまざまな曲げ状態での OETC の熱調節性能を観察し、その結果、OETC は 0.75 Hz の周波数で 10 秒間動作したときに最大かつ安定した熱調節性能を達成することが示されました。この柔軟性により、OETC はウェアラブル デバイスに高度に適応し、体の動きや姿勢の変化に合わせて調整できるため、さまざまなシナリオで効果的な温度調節が可能になります。

図｜OETCのウェアラブル体温調節性能（出典：論文）

過酷な環境における人間の生存率の向上

太陽エネルギーを使用したこの双方向の熱調節機能により、このデバイスはさらに魅力的になり、特に従来の宇宙服に統合して全体的な電力消費を削減するのに役立ちます。

個人の宇宙旅行中の宇宙服の理論上の面積は約1.85平方メートルです。宇宙では、太陽放射圧の大きさは地球表面近くの太陽放射フラックスによって決まります。 1 天文単位内の太陽放射量を計算するには、通常、太陽定数 136.7 mW/cm2 が使用されます。

図 | OETC と綿製衣類の体温調節特性および個人宇宙旅行の展望 (出典: 論文)

太陽電池の性能が向上し続けると、1 日を通して人間の体温調節を行うために必要な太陽電池モジュールは、光電変換効率が 45% の太陽電池デバイスを想定すると、わずか 1.12 平方メートルの面積しか必要としないと推定されます。

レビュー記事には次のように記されている。「優れた熱管理性能、方向転換の容易さ、最適な温度制御のための熱管理温度範囲の調整機能により、Wang らは人体が周囲温度の変化に適応できるようにする衣服を実証しました。」

OETC は、EC 機器の低エネルギー消費を活用して、制御可能で全天候型のデュアルモード熱調節を実現します。さらに、シンプルでコンパクトな構造、高い効率性、強力な適応性など、他の優れた機能も備えています。

研究者らは、さらなる最適化により、OETC は高度な熱調節への応用が可能となり、極地や個別の宇宙遊泳などの過酷な環境下でも人間の生存率を高めることができる可能性があると述べている。

ただし、このシステムは、システムの温度範囲や材料の熱伝導率など、パフォーマンスと実用性の面でまだ最適化する必要があることには注意が必要です。

レビュー記事には、「Wangらのデバイスは、材料のエントロピー変化を増やすことでさらに改良でき、無機フィラーを追加することで材料の熱伝導率を向上させることができます。さらに、複数の電気熱量効果デバイスが相乗的に動作するカスケードデバイスを構築することで、システム全体の熱管理性能を最適化し、システム全体の温度範囲を拡大することができます。」と書かれています。

参考リンク:

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj3654

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adl5650