エネルギーを使わずに物体を冷却する方法

今年の夏は記録的な猛暑の一つとなり、おそらく今後も暑さは増していくでしょう。エアコンは単なる「あったら便利なもの」ではなく、必需品になりつつあるように感じます。冷房には様々な方法がありますが、最も一般的なのはコンプレッサーと冷媒を使う方法です。しかし、こうした従来のエアコンは修理が難しく（そして高価）、かなりの電力を消費します。2022年のアメリカ合衆国では、国のエネルギー使用量の10%が冷房に使われました。これは大きな数字です。

熱を下げる別の方法を真剣に考える必要があります。物体の温度を下げる別の方法があります。しかも、エネルギーや燃料さえも必要としません。それは放射冷却です。適切な材料を使うことで、物体が吸収するエネルギーよりも多くのエネルギーを放射し、温度を数度下げることができます。信じられないかもしれませんが、非常に優れた物理学の理論のおかげで、実際に効果があるのです。

すべてのものは光を放つ

すべてのものは光を発しており、それはつまり、すべてのものが熱エネルギーを伝達できることを意味します。奇妙に聞こえるかもしれませんが、まずは電球について考えてみましょう。物体を発光させる方法はいくつかありますが、最も簡単な方法は、物体を非常に高温にすることです。従来の白熱電球では、電流が電球内のフィラメントに流れ、フィラメントが非常に高温になって発光します（その温度は約3,600°Fです）。このシンプルな仕組みだからこそ、この種の電球は100年以上も前から存在してきたのです。

でも、ジャガイモやお気に入りの靴、ドアノブなど、それほど熱くないものはどうでしょうか？はい、それらも一種の光を発します。

光は電磁波であり、これらの波はすべて光速（3×10 ⁸ m/s）で伝わりますが、波長はそれぞれ異なります。この電磁波の波長が400～700ナノメートルの場合、可視光と呼ばれ、人間の目で確認できます。このジャガイモ（室温）は、9.8マイクロメートルで最大強度の電磁波を発生します。この電磁スペクトル領域を赤外線と呼びます。肉眼では確認できませんが、赤外線カメラで画像化することができます。

これは私の犬の例です。犬は周囲よりも少し暖かいので、わずかに異なる波長の光を生成します。つまり、赤外線画像では背景に溶け込むことはありません。

物体が他の物体と熱的に相互作用する方法は3つあります。最も一般的な方法は熱伝導です。これは、温度の異なる2つの物体が接触し、熱エネルギーが温かい物体から冷たい物体へ伝わるときに起こります。例えば、冷たいソーダの缶を手に持ったときのように、缶は温まり、手は冷たくなります。

次の熱伝達方法は対流です。対流は気体と液体にのみ作用します。空気を例に挙げましょう。コンロのような熱源があるとします。コンロのバーナー付近の空気は、熱伝導によって温度が上昇します。この高温の空気は、その上にある冷たい空気よりも密度が低くなります。そして上昇し、冷たい空気がその場所を占めます。そして、高温の空気は、天井など上にある物体と再び熱伝導によって相互作用します。コンロから天井への間接的な熱伝達が対流です。

3つ目の熱相互作用は放射です。そして、まさにこれが私たちが本当に求めているものです。高温の物体が赤外線を放射すると、その放射は他の物体に吸収されます。まさにこれがオーブンの仕組みです。調理したいものをオーブンの中に入れると、発熱体が非常に高温になり、放射熱が発生します。（そうです、これも赤外線と同じです。）食品はこの放射熱を吸収し、温度が上昇します。

さて、オーブンを予熱し、電源を切ってジャガイモを入れたと想像してみてください。高温のオーブンは熱放射を放出し、ジャガイモはそのほとんどを吸収します。その結果、ジャガイモはより熱くなり、オーブンはより冷たくなります。これはジャガイモを焼く通常の方法ではありませんが、物体が熱放射を発すると冷却されるという点が重要です。

しかし、私たちの周りのあらゆるものが赤外線の電磁放射を放射しているのであれば、あらゆるものが冷えていくはずではないでしょうか？実際にはそうではありません。リンゴをテーブルの上に置くと、熱放射を放射します。しかし、リンゴはテーブル、空気、壁など、他のあらゆるものからの放射も吸収します。つまり、同じ場所にあるすべての物体が既に同じ温度になっている場合、放射によって冷えることはないのです。

反射率と放射率

放射冷却の仕組みを完全に理解するには、もう一つ考慮すべき非常に重要な特性があります。それは、反射率と放射率の違いです。完璧な鏡があると想像してください。鏡に当たった光はすべて反射します。この鏡の反射率は1で、つまり当たった光の100%が反射することを意味します。

アルミホイルもかなりの量の光を反射しますが、すべての光を反射するわけではありません。反射率は約0.88で、88%が反射することを意味します。残りの12%の光はアルミホイルに吸収され、アルミホイルの温度が上昇します。

さて、光を全く反射しない物体を想像してみてください。もちろん、その物体は光を放射しますが、それは物体自体の温度によるものであり、光が反射しているからではありません。この物体の放射率は1で、「完全黒体」と呼ばれます。つまり、すべての電磁放射を吸収するということです。つまり、放射率は基本的に反射率の逆です。

反射率と放射率はどちらも光の波長に依存します。可視スペクトル（波長400～700nm）で反射率が低いからといって、赤外線波長（約10マイクロメートル）でも同じように反射するとは限りません。上の犬の赤外線画像をもう一度見てください。床に犬の姿が映っているのに気づきましたか？床は可視スペクトルではあまり反射しませんが、赤外線では反射します。

反射面と放射面の違いを別の方法で確認してみましょう。以下は、どちらも室温にある2つのアルミ缶の赤外線画像です。唯一の違いは、右側の缶は側面がマスキングテープで覆われているのに対し、上部は覆われていないことです。このテープは右側の缶が赤外線を反射するのを防いでいます。つまり、この2つの物体は放射率を除いて同一であるということです。（右側の缶の上部に私の手が触れているのがわかります。）

左側の普通のアルミ缶は、赤外線領域で非常に反射率が高いです。オレンジ色で示された部分は熱く見えますが、これは缶自体の熱ではなく、もう一方の缶に触れている私の手の熱が赤外線で反射したものです。

右側の缶にテープを貼ったのは、放射率を高めるためです。テープは赤外線を反射しないため、見えている色は缶の温度によるもので、私の手のような熱いものによるものではありません。（右側の缶の一番上はテープで覆われていないため、その部分は非常に反射率が高いです。そのため、オレンジ色の点が見えます。これは私の手の熱を反射しているのです。）

もう一つ、現実世界での例を挙げましょう。暑い晴れた日に、白い服を着るのと黒い服を着るのと、どちらが良いでしょうか？白いシャツ（反射率が高い）は太陽光をより多く反射するため、それほど暑くなりません。一方、黒いシャツ（放射率が高い）は光を多く吸収するため、暑くなります。つまり、一般的には白い服を着るのが良いということです。ただし、黒い服の方が涼しいという奇妙なケースもあります。

宇宙は寒い

おそらく皆さんも、放射冷却の一種を経験したことがあるでしょう。冬の間、空を見れば寒い夜になるかどうかが分かります。雲のない夜は、地面が赤外線エネルギーを放射し、このエネルギーが失われることで地面の温度が著しく下がります。しかし、そのエネルギーのすべてが逃げるわけではありません。大気中の二酸化炭素は、赤外線の波長の一部を閉じ込めることができます。これが温室効果の原因です。しかし、8マイクロメートルから13マイクロメートルの波長の赤外線は、大気を通過して宇宙空間に放出されます。（この波長域は「赤外線の窓」と呼ばれます。）

これは雲のない夜にのみ機能します。雲が赤外線の窓を遮るため、エネルギーは地面に反射されます。その結果、地面は暖かいままです。まるで地球がふわふわの雲でできた心地よい赤外線毛布をまとっているかのようです。

そして、これは日中は機能しません。日中は確かに熱放射があり、物体によっては温度を下げる可能性があります。しかし、もう一つの大きな熱源、太陽があります。太陽の光は、放射による冷却効果よりも物体の温度を上昇させます。つまり、すべてが熱くなるのです。

一つ奇妙な点があります。地球の表面に冷却している物体があるとしたら、それは物理法則に反しているように思えます。何か別のものを熱くしない限り、物体は冷たくなることはありません。例えば、エアコンは外気を暖めることで家の中を冷やします。氷の入ったクーラーボックスに入ったソーダ缶の温度が下がるのは、氷の温度が上昇して溶けるからです。

つまり、ある物体が放射によって冷えると、他の物体の温度が上昇するはずです。その物体とは宇宙です。宇宙に放出されたこの放射は、最終的に月に当たり、月の温度を上昇させるかもしれません。あるいは、永遠に外側へ向かって進み続けるかもしれません。

放射冷却パネル

太陽が照っている間に、物体を周囲温度より低くすることは可能でしょうか？はい、可能です。放射冷却パネルを作ったり、構築したりすることができます。これは、可視スペクトルにおける反射率（太陽光による温度上昇を防ぐため）と赤外線放射率（特に8～13マイクロメートルの波長）の高い平らな表面です。可視光は物体から反射するため、物体自体が加熱されることはなく、赤外線放射によって物体の温度が下がります。反射された可視光と赤外線はどちらも宇宙空間に放出されます。（もしかしたら、ある時点で他の惑星に衝突してその惑星を暖めるかもしれませんが、それは私たちが心配する問題ではありません。）

放射冷却パネルを機能させる方法はいくつかあります。非常にシンプルな方法の一つは、反射性アルミニウムの上に透明テープを貼るというものです。可視光はテープを通過し、アルミニウムで反射します（そのため、アルミニウムは高い反射率を持ちます）。また、テープは赤外線も放射します。これは非常にシンプルなので、自分でも試すことができました。以下は、アルミホイルに透明梱包用テープと通常の透明テープを貼ったときの可視光と赤外線の画像です。

可視スペクトルでは、ホイルが非常に光沢があり（これは良いことです）、テープを貼った部分が見えにくいことに注目してください。赤外線では、何も貼っていないホイルは空からの赤外線を反射しているため（つまり、放射率が低いため）、暗く見えます。しかし、テープを貼った部分ははるかに熱く見え、ホイルの温度を放射していることがわかります。この単純な実験では、実際には気温よりも冷たくなりません。おそらく、下にある熱い草が放射冷却効果よりも多く加熱していたのでしょう。しかし、この実験はうまくいくと思います。

3Mは放射冷却テープを実際に製造しています。これはアルミホイルとテープを併用する方法と似たような効果（ただしおそらくより効果的）があるようです。

もう一つの方法は、特殊な白い塗料を使うことです。この塗料は可視光線を非常に反射しますが、赤外線を放射します。この塗料の仕組みと作り方を紹介した素晴らしい動画がいくつかあります。Tech Ingredientsの動画はこちらです。彼の方法はうまく機能しているようですが、実験室がなければ簡単に作れるものではありません。NightHawkInLightには、普通のキッチンで作れるかもしれない、別のバージョンの放射塗料があります。

もう一つの選択肢としては、ナノ粒子やハイドロゲルを用いた、より複雑な素材の使用が挙げられます。可視光を反射し、赤外線を放射する衣服を作ることも可能です。

放射冷却には、他に2つの非常に優れた応用例があります。冷たい放射冷却パネルと熱い地面の温度差を利用して、熱電発電機で発電することができます。（これは夜間にも稼働するソーラーパネルのようなものです。）あるいは、タトゥイーンの水分蒸発装置のように、放射冷却によって生じる温度差を利用して空気中の水分を直接凝縮することもできます。

一番の利点は、これらのアプリケーションはすべて電力を一切必要としないことです。まるで空からのフリークーリングのようなものです。これらの方法はどれも、わずか数度の熱削減にしかならないため、エアコンの代わりにはなりません。しかし、少しでも役立つのは確かですよね？