太陽焼けが新しいエネルギー貯蔵方法のヒントに

ボストンでは太陽が輝くこともありますが、これほどではありません。

化学教授のグレース・ハンは、数年前にボストンから南カリフォルニアを訪れた際、その違いに気づきました。外に数時間いただけでも、肌がピリピリし始め、炎症の兆候が現れるのです。

昨年、彼女はカリフォルニア大学サンタバーバラ校での仕事に就くために引っ越し、日常的に広いつばの帽子、サングラス、そしてたっぷりの日焼け止めを着用するようになりました。化学教授である彼女は、すでに自分で調べていました。

「趣味でDNAの光化学について読んでいました」と彼女は振り返ります。

その時、彼女は日焼けで損傷を受ける人の肌のDNA分子が、自分を助けてくれるかもしれないことに気づきました。これらの分子は太陽光を浴びると形を変え、通常の形からひずんだバージョンに変化します。

科学者たちは何十年もの間、形を変えることができ、その過程でエネルギーを蓄え、その後、元の形に戻すように促されて蓄えられたエネルギーを要求に応じて放出できる分子を探してきました。

それは、ネズミ捕りを仕掛けて後で作動させるようなものです。これは分子太陽熱（Most）エネルギー貯蔵として知られており、熱を供給するための非常に安価で排出ガスのない方法となる可能性があります。これらのMostシステムは、数ヶ月、あるいは数年もエネルギーを貯蔵できる可能性があります。

研究者たちはこれまでこの技術で限定的な成功しか収めていませんでしたが、カリフォルニアの太陽のおかげで、ハンは次に何を試すべきかを知っていました。

エネルギー貯蔵分子の形状変化を、滑らかで再現可能な方法で活性化することが重要です。

幸いなことに、数百万年の進化はこのプロセスを完璧にしました。それは私たちの肌で起こることです。私たちはある意味、生きた化学実験室なのです。私たちの肌のDNA分子は、フォトリアーゼと呼ばれる酵素の助けを借りて、太陽によって歪んだ形を修復できるように進化しました。

そしてハンは、そのような分子がエネルギー貯蔵システムに最適な候補であることに気づきました。「それらは非常に、非常に小さいです」と彼女は説明します。「そして、質量あたりの大量のエネルギーを貯蔵できます。」

2月に発表された論文で、彼女と同僚は、少なくともエネルギー密度という点では、これまでに開発された中で最も有望なエネルギー貯蔵システムについて説明しました。ハンによると、それは試験管の中の「非常に小さなやかん」を急速にお湯にするのに十分なほど強力でした。

その研究の一部を行った彼女の学生たちは、結果を彼女に知らせるために駆けつけました。「実際にビデオを見て、溶液全体がどれほど速く沸騰しているかを見たとき、それは本当に驚くべきことでした」とハンは振り返ります。

彼女は、カリフォルニア大学ロサンゼルス校の共同研究者であるケンドール・ホークとそのチームが行った、分子の性能予測に関するコンピューター分析が、この研究に不可欠であったことを強調しています。

スペインのバルセロナ工科大学やその他の機関で研究チームを率いる、Mostの実験者であるカスパー・モス・ポールセンは、この研究には関与していませんが、その結果に感銘を受けています。

「私たちの最高のシステムは1メガジュール（1キログラムあたりのエネルギー）だったと思います。彼らは1.6だったと思います。それは本当に驚くべきことです」と彼は、ハンと同僚が達成したエネルギー密度について述べています。

彼らの2月の論文に記録された1.65メガジュール/キログラムは、現在、携帯電話や電気自動車で最も人気のあるバッテリータイプであるリチウムイオンバッテリーのエネルギー密度を大幅に上回っています。

ハンと同僚が考案したMostシステムには、いくつかの限界があります。まず、セットアップの中心にある分子の形状を変化させる光の波長は300ナノメートルであり、「非常に過酷な紫外線」の一種であると、ランカスター大学のジョン・グリフィンは述べています。「それは太陽から私たちに届きますが、ごく少量しか届きません。」

さらに、エネルギーを放出するために歪んだ分子の形状を元に戻すために使用されるトリガーは塩酸であり、使用後に中和する必要がある非常に腐食性の高い物質です。「最も理想的な選択肢ではありません」とハンは認めます。

彼女は、自然光へのシステムの応答性を改善し、有毒な化学物質を必要とせずにエネルギー放出をトリガーすることが可能になることを望んでいると述べています。

このような研究の究極の目標は、非常に困難であることが知られている暖房の脱炭素化です。

世界は依然として、暖房用途の化石燃料に大きく依存しています。分子太陽熱システムと化石燃料は、実際にはどちらも化学エネルギー貯蔵の一形態です。しかし、モス・ポールセン氏は、Most技術は「何も燃焼せずに動作する」と強調しています。

さらに、化石燃料とは異なり、Mostは地球上のどこでも利用可能になる可能性があります。化石燃料は一部の地域に集中しています。だからこそ、ホルムズ海峡の封鎖が最近、そのような問題を引き起こしたのだと彼は指摘します。その地域の産油国は、人々が必要とする場所に燃料を供給できません。

モス・ポールセン氏は、Mostエネルギー貯蔵システムは、数十年にもわたって長期的にエネルギーを貯蔵することもできると述べています。熱として貯蔵された熱エネルギーは、せいぜい数時間、数日、または数ヶ月しか持たないかもしれません。

しかし、ドイツのデュイスブルク・エッセン大学のハリー・ホスター氏（水素に焦点を当てた燃料電池技術センターであるZBTセンターの科学ディレクターでもある）は、別の考慮事項があると述べています。

Mostシステム内の光に敏感な分子は、比較的薄く広げる必要があります。厚すぎると、光が内部のすべての分子に十分に浸透できなくなります。「非常に楽観的なシナリオでは、おそらく5mmの厚さにできるでしょう」とホスター氏は推定しています。

そして、液体に分子をパッケージ化するということは、エネルギーを貯蔵したり、例えばそこから転送したりするために、その液体をシステムの別の部分に移動またはポンプで送る必要がある可能性が高いことを意味します。これにより、コストと複雑さが増します。「物をポンプで送る必要がある瞬間には、壊れる可能性のあるものが増えます」とホスター氏は述べています。

グリフィン氏は、彼と同僚がMost技術の固体状態バージョンに取り組んでいると述べています。Mostの固体形態も研究しているハン氏は、例えば、それらは透明な窓コーティングの形をとることができると述べています。そのようにすれば、結露を防ぐために熱を放出したり、部屋を暖めたりすることさえできます。

しかし、ホスター氏は、Mostが建物のすべての熱需要を満たすことができるかどうかについては懐疑的です。しかし、それは衛星や航空機の温度に敏感なコンポーネントを暖めることができるかもしれません。

「素晴らしい科学です」と彼は付け加えます。「彼らがこの機能を正しく実現できたのは美しいことです。」

イノベーションと研究は続く可能性が高いですが、この分野が現在比較的ニッチなままであることに注意する価値はあります。グリフィン氏は昨年、Most技術に関する会議に出席しましたが、参加者は約70人でした。「それは基本的に、この分野で働く世界のコミュニティ全体でした。」