熱を最大限に活用する：冷たさと暖かさを組み合わせるパンヤカ効果

「熱を最大限に利用する」とは、その名の通り、熱エネルギーの総合的な利用効率を向上させるための実現可能な方法を模索することです。

最近、著者はプラスチック結晶材料のポンジスキーム効果が新しいタイプの冷凍材料として利用できることを発見しました。この材料は、ゼロカーボン冷凍を実現し、冷凍分野における環境への危険性を排除できるだけでなく、廃熱を収集して再利用することで、炭素排出量を削減し、エネルギー利用率を向上させることができます。

パート1

熱とは何ですか？

熱は温度によって特徴付けられるエネルギーの一種です。温度が高ければ高いほど、含まれる熱エネルギーも多くなります。

熱は目で見て感じることができます。長征5号ロケット打ち上げの映像を例にとると、ロケット後端の炎の温度が非常に高いことがわかります。熱放射が非常に高いため、色によって温度を区別することができます。同時に、熱も感じられます。熱いものに手で触れると、熱いと感じるでしょう。

長征5号ロケット打ち上げ

（写真提供：人民日報オンライン）

微視的な観点から見ると、熱エネルギーは物質を構成する原子または分子の微視的な動きの強さを反映しています。動きの強度が強くなるほど、物質に含まれる熱エネルギーが増加し、温度が高くなります。

熱には、水のように常に低い場所に流れるという特性があります。これは熱力学の第二法則によって決まります。熱力学の創始者であり、「エントロピー」の概念を考案したクラウジウスは、熱は高温の物体から低温の物体に自発的に伝達され、最終的には中間温度で平衡に達すると指摘しました。

熱は私たちの生活に欠かせない役割を果たしています。目標温度が周囲温度よりも低い場合、これは冷却です。目標温度が周囲温度よりも高い場合、これは加熱です。

パート2

冷蔵の過去と現在

ご想像のとおり、何かを凍らせたい場合、冷却を実現するために熱を取り除く必要があります。

私の国では戦国時代に「氷鏡」と呼ばれる青銅器が発明されました。この青銅器は内部に層があり、特に氷を入れるために使われています。これはこれまでに発見された最も原始的な「冷蔵庫」です。しかし、厳密に言えば、これは冷蔵庫ではありません。使用するにはまず氷が必要であり、積極的な冷蔵ではないからです。

本当の意味での能動的な冷蔵は、蒸気機関が発明され、人類が初めて動力を得た第一次産業革命の後に生まれました。蒸気機関の動力を利用して真空を作り、エーテルなどの揮発性物質の揮発過程を促進し、揮発時の吸熱原理を利用して冷凍の目的を達成します。

これは人類が能動的な方法で冷蔵を実現できた初めてのケースであり、現代の意味での冷蔵庫は 1927 年まで発明されていませんでした。

（写真提供：Veer Gallery）

パート3

暖房 - 人類の発展の歴史の証人

冷房と比べると、暖房は私たち人類全体の発展の歴史をよりよく反映することができます。私たちの祖先が木を掘って火を起こしていた古代から、第一次産業革命の前後の石炭の大量使用、蒸気動力が人類の進歩を大きく促進し、さらに近年の石油と天然ガスの大量使用に至るまで、「暖房」が現代生活に与える影響は計り知れません。

（写真提供：Veer Gallery）

現在の熱エネルギー利用の基本パターンでは、一次エネルギーの約 31% が熱の生成に使用され、同時にエネルギーの 28% が他の産業部門で熱の形で失われています。熱エネルギーの生産は、社会全体の炭素排出量の約 30% を占めています。

（写真提供：Veer Gallery）

これにより、熱エネルギーパラドックスと呼ばれる非常に興味深い問題が浮上します。エネルギー利用プロセスで失われた熱エネルギーを熱エネルギー生産の補填に利用すれば、エネルギーを節約できるだけでなく、熱エネルギー生産プロセスで発生する炭素排出量も削減できます。

さて、この素晴らしいアイデアを実現する方法はあるのでしょうか?

パート4

ポンジ効果とは何ですか?

著者は、新しい物質特性であるポニャッカ効果を発見しました。ポニャッカ効果について話すとき、まずプラスチック結晶材料とは何かを説明する必要があります。これは、高速回転する無秩序な有機分子で構成された非常に特殊な固体物質です。

この材料は非常に柔らかく、わずかな圧力を加えるだけでこれらの有機分子の高エネルギー状態が抑制され、材料が低エネルギー状態になり、大量の熱が放出されます。李兵は、小さな圧力によって引き起こされる顕著な相変化冷却効果のこの現象をポンジカ効果と名付けました。 **パンガ・ザカ効果を利用して、著者はチームを率いて最初のパンガ・ザカ冷凍プロトタイプを設計しました。

従来のガス圧縮冷凍技術と比較して、パンヤカ冷凍技術は冷凍プロセス全体を通じて固体材料を使用します。このプロセスにはガスは使用されない為、私たちが懸念している炭素排出やオゾン層の破壊の問題は当然発生しません。

著者は冷凍技術を研究しながら、発生した熱エネルギーをいかに効率的にリサイクルし、活用し、上記のような素晴らしいアイデアを実現するかについても考えていました。

著者は実験を通じて、ある種の可塑性結晶材料が摂氏80度前後で熱を蓄え、可塑性結晶状態になり始めることを発見した。室温環境では、約 6 MPa の小さな圧力 (手で物をつまむときの力に相当) を加えると、塑性結晶状態が従来の結晶状態に変換されます。蓄えられた大量の熱を非常に短時間で放出し、20秒以内に温度を48℃上昇させることができます。

これは、プラスチック結晶材料の熱吸収と放熱の完全なプロセスです。つまり、加熱して熱を吸収し、冷却して熱を閉じ込め、加圧して熱を放熱します。

ご存知のとおり、さまざまな産業プロセスや大規模なデータセンターでは大量のエネルギーが消費されます。同時に、発生した熱を放散または冷却する必要があり、それ自体が膨大なエネルギーの浪費であり、大量の二酸化炭素排出ももたらします。

このような技術を基に、産業プロセスからの廃熱、大規模データセンターからの廃熱、地熱資源、太陽熱資源などの熱エネルギーの吸収、貯蔵、再利用を実現し、熱エネルギーの秩序ある制御を実現できれば、カーボンニュートラル、さらには地球環境の保護に大きな意義が生まれます。

制作：中国科学普及協会

著者: 李 冰 (中国科学院金属研究所)

プロデューサー: 中国科学博覧会

編集者：孫晨宇

この記事は著者の見解のみを表しており、中国科学博覧会の立場を代表するものではありません。

この記事は中国科学博覧会（kepubolan）に最初に掲載されました。

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