電力インフラが不十分な地域でも、太陽エネルギーだけで海水を加熱し、飲料水を得る道が開かれています。別途電源を必要とせず、太陽光で海水を加熱・蒸発させて真水を製造する高性能蒸発装置が国内の研究者らによって開発され、途上国や島嶼部の飲料水不足を解決する新たな突破口となることが期待されている。
UNISTエネルギー化学工学部のJihyeon Jang教授のチームは、太陽光を受けて海水を効率よく加熱する三元酸化物ベースの光熱蒸発器を開発したと発表した。海水に浮かべて蒸発を促し、発生した水蒸気を凝縮させて電力を使わずに真水（飲料水）を得る装置です。
1㎡あたり4.1L/時間…自然蒸発の7倍、酸化物系最高性能
研究チームが開発した蒸発器は、1平方メートルの面積で1時間に約4.1リットル（L）の真水を生成することができる。これは自然の海水の蒸発速度の約7倍であり、これまでに報告されている酸化物材料を用いたデバイスの中で世界最高の蒸発速度であると研究者らは説明している。
何よりもこの技術は電力を使わずに動作するという点で重要です。太陽エネルギーのみを使用して水を蒸発させる方法は、メンテナンスコストが低く、設置が簡単であるため、送電網が弱い地域で特に役立ちます。
鍵は「光を熱に変換する素材」…吸収率97.2%の光熱変換性能
高性能の秘密は新開発の光サーマル素材にあり。光熱変換素材とは太陽光を吸収し熱に変換する素材です。蒸発器の表面に薄くコーティングされており、海水加熱の効率を決定します。
研究チームは、耐食性に優れたマンガン酸化物をベースに、マンガンの一部を銅（Cu）とクロム（Cr）に置き換えた三元酸化物光熱変換材料を実現した。これは、材料の組成を調整することで吸収できる光の波長範囲を広げる「バンドギャップエンジニアリング」技術を応用した結果だ。
一般的な酸化物材料は可視光域のみを吸収することが多いですが、本材料は紫外線から可視光線、近赤外線まで太陽光を97.2%吸収します。吸収範囲を大幅に拡大しながら、吸収されたエネルギーが光として逃げるのではなく熱に変換される速度を高めることで、実際の蒸発効率が向上しました。
表面温度80℃…既存の酸化物より「熱く、速く」
研究チームは、材料の光熱変換効率が増加するにつれて、蒸発器の表面温度が最大80℃まで上昇することを明らかにしました。これは、従来のマンガン酸化物（同条件で63℃）に比べて大幅な改善であり、銅マンガン酸化物が記録した74℃よりも高い。
表面温度が上昇すると、水の蒸発速度が増加します。つまり、本研究は「より多くの光を吸収することと、吸収した光をより効率的に熱に変換すること」の両方の性能を同時に向上させることで、淡水生産量を最大化することができました。
塩分の蓄積を防ぐ…逆U字構造で耐久性と持続性を確保
海水淡水化装置を長期間安定して稼働させるためには、塩類の蓄積の問題を解決することが重要です。蒸発プロセス中に表面に塩が蓄積すると、性能が大幅に低下し、デバイスの寿命が短くなる可能性があるためです。
これを最小限に抑えるために、研究チームはデバイス構造を逆U字型に設計した。光熱変換材料を塗布した蒸着面には吸水性に優れた綿素材を、それ以外の部分にはポリエステル素材を採用しました。ポリエステルの繊維構造は水を素早く引き込むストロー状の素材として機能し、その疎水性特性は蒸発面に塩が付着するのではなく流れ去ることができるため、塩の蓄積を減らすチャネルとして機能します。
「耐久性に優れ、大面積への拡張も容易…飲料水危機の解決策となるでしょう。」
チャン・ジヒョン教授は、「既存の酸化物光熱変換材料は光吸収帯が狭いため効率が低いという問題を根本的に改善した。光熱変換特性を改善して高性能蒸発器を実現し、耐久性が高く、大面積への拡張も容易で、飲料水不足の問題の解決に貢献できる」と説明した。
この研究成果は先月16日に国際学術誌「Advanced Materials」オンライン版に掲載され、正式出版される予定だ。
汚染海水に対する耐塩性を備えたバンドギャップ設計のCuMnCrO4スピネル酸化物をベースにしたスケーラブルな太陽蒸発器です。
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