太陽光を調節できるガラスとはどのようなものなのでしょうか？

制作：中国科学普及協会

制作者: 陳林 (中国科学院工学熱物理研究所)、陳金濤 (北京航空航天大学)

制作者: 中国科学院コンピュータネットワーク情報センター

ガラスは何千年も前から人間社会に登場していますが、長い間、ガラスは実際には金、銀、宝石とほぼ同じレベルの贅沢品でした。例えば、『紅楼夢』の賈容は、自分の富を誇示し、自分が上流階級の一員であることを示すために、かつて王希鋒にガラスのカンスクリーンを借りるように頼んだことがある。 20 世紀初頭、生産技術の進歩により、ガラスは徐々に一般家庭にも普及し始めました。

ガラスの最大の特徴は光の透過率が高いことで、これにより家の中で太陽の光を満喫しながら外の景色を眺めることができます。

窓の中の夜（写真提供：veer Gallery）

しかし、ガラスのこの特性には欠点もあります。

夏にはガラスを通して日光が室内に差し込み、室内の温度が上昇します。冬にはガラスを通して大量の熱が失われ、家の中の温度が下がります。

現在の研究によると、我が国ではドアや窓のガラスを通して失われるエネルギーが社会全体のエネルギー消費量の約 5 分の 1 を占めています。これは非常に驚くべき数字であり、私たちがほとんど気づかない数字です。

では、ガラスはどのようにエネルギーを浪費するのでしょうか?

ガラスがエネルギーを無駄にする理由：熱放射

熱力学の基本原理によれば、熱伝達には熱対流、熱伝導、熱放射という 3 つの主な形態があることがわかっています。

熱対流とは、気体や液体の流れによって熱が伝達される現象を指します。例えば、窓がある場合は、窓を閉めると屋内と屋外の間の空気の対流が遮断され、エネルギー消費が削減されます。

熱伝導とは、熱が高温領域から低温領域へ移動することを意味します。熱伝導の観点から、省エネ効果の高いガラスを得るためには、ガラスを厚くしたり、ガラスを2層にしてその間に中空空間を残したり、さらには中空部分を真空にしたりすることが考えられ、現在では複層ガラスが一般的となっています。

熱放射とは、物体がその温度によって電磁波を放射する現象を指します。この観点から見ると、状況は少し複雑になります。

ガラスを設置する目的は外の世界を見ることです。同時に、部屋はガラスを通して太陽からの放射を受け、内部の温度が上昇しますが、室内ヒーターはガラスを通して電磁波を外部に放射し、室温を下げます。

つまり、本当に優れた省エネガラスとは、太陽光を室内に取り入れながらも、室温を上昇させる放射が容易に逃げないようにし、すべての放射をコントロールするガラスなのです。大量の熱放射オーバーフローは、ガラスがエネルギーを浪費する主な原因です。

熱伝達の3つの形態（画像出典：参考文献3）

たとえば、冬場の室内の熱源は主に太陽放射とヒーター放射です。

太陽光はガラスを通して室内に入り、室内の温度は通常、屋外の温度よりも高くなります。また、ラジエーターやヒーターなどの各種暖房機器は、常温で中赤外線や遠赤外線を放射します。放射線がガラスに当たると、ガラスは放射された熱を吸収して加熱されます。すると、ガラスはこのエネルギーを外部の氷や雪に伝達し、大量のエネルギー損失が発生します。

太陽放射をより多く取り入れ、熱放射をより少なく放出する方法が見つかったらどうなるでしょうか?そうすれば、このタイプのエネルギー消費を大幅に削減できます。

通常のガラスを通過するさまざまな放射線（画像出典：参考文献1）

現在、科学者たちは新しい材料を開発しました。これをガラスに塗布すると、太陽光を調節する機能を持つ新しいタイプの省エネガラスになります。

それで、この新しい素材とは何でしょうか?ガラスはどのようにしてエネルギー効率を高めるのでしょうか?従来の省エネガラスと比べてどのような利点がありますか?ゆっくりお話ししましょう。

熱放射を制御するメタマテリアルの開発に成功

太陽熱放射と室内熱放射の最大の違いは、それらが異なる帯域にあることです。したがって、ガラス上のバンドの入口と出口の条件を設定すれば、バンドの有無を人工的に制御することができます。

この考えに基づき、中国科学院工程熱物理研究所の研究者らは、透明度の高いポリマー材料と特定の構造を持つナノコンポーネントユニットを組み合わせて、放射線を制御できるメタマテリアル（特殊な特性を持つ人工材料）を設計した。

この人工素材を通常のガラスに塗布することで、新しいタイプの省エネガラスに変えることができます。

太陽熱放射と室内熱放射の波長（画像出典：参考文献1）

このメタマテリアルでは、透明度の高いポリマー材料が可視光の透過率を高め、ナノユニットが放射線を遮蔽する役割を担っており、短波長の太陽放射線に遭遇すると活性化され、エネルギーを放出します。室温の物体から放射される長波長の熱放射に対しては、それを反射する「大きな網」を形成します。

このメタマテリアルをガラスと組み合わせることで、ガラスは良好な光透過率を維持しながら熱放射を選択的に通過させることができ、冬は暖かく、夏は熱を遮断するという目的を達成できます。

メタマテリアルは太陽熱放射を吸収し、室内の熱放射が逃げるのを防ぎます（画像出典：参考文献1）

新しいガラスの省エネ効果はどれくらいですか？研究者らは、普通のガラスで作られたガラスハウスのモデルと、高効率の省エネガラスで作られたガラスハウスのモデルという2つのモデルを用意して実験を行った。両モデルの初期温度は摂氏21度で、同時に直射日光を浴びられるように模擬太陽光照射装置がオンにされた。

実験の結果、1時間後、通常のガラス室の温度は27.3℃まで上昇し、高効率省エネガラス室の温度は43℃まで上昇した。

輻射制御ガラス室と通常のガラス室の温度比較試験（画像出典：参考文献1）

2 つのモデルルームの温度は、初期温度と比較してそれぞれ 6.3 度と 22 度上昇しました。つまり、省エネガラス室では、通常のガラス室よりも15.7℃も温度を上げることができるのです。

放射線制御ガラス室と通常のガラス室の実験における温度上昇結果（画像出典：参考文献1）

これは、高効率省エネガラスが太陽熱放射の透過率に優れ、室内の熱放射の漏れを遮断する効果も優れていることを示しています。

実験により、高効率省エネガラスは太陽エネルギーをより有効に活用し、エネルギーをより効率的に節約できることが証明されました。

省エネガラスの利点は何ですか?

既存の省エネガラスと比較して、新しい省エネガラスには主に 3 つの利点があります。

一つ目は効率性です。新しい省エネガラスを使用することで、太陽エネルギーを最大限に取り込みながら室内の省エネを実現し、室内温度調節に優れた効果を発揮します。

調査によると、既存の省エネガラスの可視光線透過率は比較的低く、一般的には30％～70％ですが、新しい省エネガラスは85％以上に達し、より多くの光を取り込むことができます。

2 つ目の利点は、製造、輸送、使用の際の利便性です。従来の省エネガラスの製造には、真空中での各種コーティングの蒸発が必要であり、このプロセスでは製造コストが高くなり、輸送も不便です。また、従来の省エネガラスは内部が真空になっているため、更新・交換にはガラス全体の交換が必要になります。

新しい省エネガラスについては、従来のガラスであっても、一定の省エネ性能を備えたガラスであっても、成形されている限り、解体したり、その他の変更を加える必要はありません。この材料でコーティングするだけで、またはこの材料で作られたフィルムを使用することもできます。

3番目の利点は柔軟性です。このメタマテリアルは、さまざまなシナリオで使用できる柔軟な素材です。

例えば、従来、低放射ガラスをテントに適用するのは非常に困難でした。低放射ガラスは、内部の機能層を保護するために二重の非常に厚いガラスを必要とするため、柔軟性に欠けます。現在、この新しい技術により、メタマテリアルをフィルムにしたり、直接コーティングしてテントに吹き付けたりすることが可能になりました。

省エネガラスは実験室では良好な性能を発揮しますが、極寒地域や強い塩霧が発生する地域など、より広範囲な環境耐性テストがまだ実施されていないため、その汎用性はまだ検証されていません。

新しい技術開発が実生活に応用される前に、厳密な科学的研究実験と探索的分析を経る必要があります。しかし、このことは、この技術の将来の応用に期待することを妨げるものではありません。なぜなら、この技術自体の特性が私たちに無限の憧れをもたらすからです。

高効率省エネガラスの応用展望は？

エネルギー効率の高いガラスの柔軟性により、科学者は数多くの応用の可能性を見出しています。

例えば、農業用温室では季節外れの野菜を栽培する必要がありますが、地域によっては、全体的な緯度が高く、日光が不足し、温室内の温度が低いため、栽培効果が理想的ではありません。

このメタマテリアルを温室に適用すると、温室内の温度を上昇させ維持することができ、強化された「プラスチック温室 2.0」に相当します。

科学者の中には、将来人類が火星で野菜を栽培できるようになれば、このメタマテリアルを使って太陽エネルギーをより有効に活用できるかもしれない、という突飛な考えを持つ者もいる。

野菜温室（画像出典：参考資料4）

例えば、このメタマテリアルは箱の断熱性を高めるためにも使用できます。将来的には、メタマテリアルコーティングを施した、保温効果の高い透明ボックスにより、より美味しい食べ物を味わえるようになり、配達員の助けにもなるかもしれません。

高効率省エネガラスは、さらなる技術的想像力も提供します。その核心は、実際には光の選択放射です。科学者が光を選択的に通過させることができるのであれば、光の範囲内のすべての電磁波を選択的に通過させることも可能なのでしょうか?

屋内では携帯電話の電波があまり良くない場合があります。その理由は、家の外にある基地局からの電磁波が家の中まで届かないからです。現在の技術を更新およびアップグレードできれば、必要な電磁波を選択的に取得し、他の乱雑なものからの干渉を排除できるでしょうか?さらに、人体に有害な電磁波が室内に入るのを防ぐことはできるのでしょうか？

おそらく近い将来、科学者たちはこの問題をうまく解決し、私たちに真実の一端を垣間見せることができるだろう。

参考文献:

1.「新技術で見る」20210417 太陽光を調節するガラス_CCTV番組公式サイト-CCTV-10_CCTV.com（cctv.com）

2. ガラス窓の外の北京の都市風景画像素材_ID:VCG211129496296-VCG.COM

3. 熱伝導、熱対流、熱放射の定義と違い_Baidu Knows (baidu.com)

4. 現代の野菜温室建設における植栽光の問題を解決する方法 (11467.com)

5. 配達はとても大変な仕事なのに、なぜ多くの人が配達に熱心になるのでしょうか? _収入（sohu.com）