エネルギー生成歩道の仕組み

私たちはあちこち歩き、あちこち歩きます。仕事へ向かう途中や、賑やかな街でランチに出かける途中かもしれません。エネルギーを消費し、運動は健康に良いものです。しかし、もしそれに加えて、自由に供給されるエネルギーをすべて回収し、利用可能な電力に変換できたらどうでしょうか？

これは現実です。数十カ国にシステムが設置されています。こちらの動画をご覧ください。それだけではありません。ディスコに設置して、あの華麗なフットワークでストロボライトを点灯させたり、遊び場の石蹴り遊びのグリッドに組み込んだり。考え始めると、可能性は無限大です。

でも、一体どうやって動くの？どれくらいの電力を発電できるの？もちろん一人では大した変化は生まれないけれど、ニューヨークの人通りの多い歩道を電力に変えれば、きっと大きな成果が生まれるはず。これを世界中に展開すれば、化石燃料の使用をなくせるかもしれない？さあ、試してみましょう！

跳ねるボールを追う

まず、歩く人間のモデルが必要です。簡単ですよね？歩くのは1歳児でもできるほど簡単です。でも、実際には、二足歩行は物理学的に見ると非常に複雑です。もし物理モデルから歩くことを学ばなければならないとしたら、あなたはまだベビーカーに乗っているでしょう。では、もっと簡単なものから始めましょう。跳ねるボールです。

信じられないかもしれませんが、これはかなり良い例えです。ここには3種類のエネルギー、つまり運動エネルギー、重力による位置エネルギー、そしてバネによる位置エネルギーが関係していることがすぐにわかります。

運動エネルギーは物体の運動に関係しています。物体が速く動いているほど、運動エネルギーは大きくなります。ボールを落とすと、ボールは下向きに加速します。つまり、運動エネルギーが増加しているということです。しかし、この余分なエネルギーはどこから来るのでしょうか？

答え：重力場に蓄えられています。これが重力位置エネルギーです。その量は、重力場の強さ（地球上ではg = 9.8ニュートン/キログラム）、物体の質量、そして地面からの高さによって異なります。ボールが落下すると、重力位置エネルギーは減少し、運動エネルギーは増加します。

まさにそこに、非常に強力な法則があります。これはエネルギー保存則と呼ばれています。これは、エネルギーの入出力がないシステム、いわゆる閉鎖系では、エネルギーは形を変えてもエネルギーの総量は一定であることを示しています。

最後に、バネの位置エネルギーがあります。これは、弾性体が圧縮されたときに蓄えられるエネルギーです。ボールが地面に当たると、変形して停止します。高速度カメラがあれば、運動エネルギーがバネエネルギーに変換される瞬間、ボールが一瞬平らになる様子がわかるでしょう。

その後、ボールは跳ね返って元の形に戻ります。バネの位置エネルギーは反対方向の運動エネルギーに変換され、ボールは上向きにトランポリンのように跳ね上がります。その様子はこんな感じです。

もしこれが真に閉鎖系であれば、バウンドするたびに総エネルギーは一定に保たれ、ボールは元の高さに戻るはずです。もちろん、これはあまり現実的ではありません。実際には、運動エネルギーの一部が衝突時に熱や音として放出されます。すると、バネのエネルギーは元の運動エネルギーよりも低くなり、バウンドするたびにボールはどんどん低くなります。

同様に、足が地面に着くたびにエネルギーが少しずつ失われます。でも待ってください！人間が歩くとき、一歩ごとに身長は一定に保たれます。なぜこれが可能なのでしょうか？それは、私たちが食べ物から得る内部エネルギーでエネルギー損失を補っているからです。つまり、筋肉が働いているということです。このエネルギー源をシステムに加えると、エネルギーは保存されます。

さて、最初の質問に戻りましょう。その「無駄」なエネルギーを回収して実際に活用することは可能なのでしょうか？はい、人力歩道はまさにそれを実現します。どのように機能するか見てみましょう。

2つのテクノロジー

これには2つの基本的な方法があります。圧電発電機と電磁発電機です。どちらの技術も古くから存在していますが、発電面への応用が新しい点です。

圧電素子はあなたの身の回りに溢れています。バーベキューの点火時にクリックする棒状のもの、エレベーターのボタンにも使われています。可動部品がないため、従来の機械式ボタンよりもはるかに耐久性に優れています。小さな子供のスニーカーが夜に光るのも、圧電素子のおかげです。

これは水晶のような特殊な結晶をベースにしています。結晶を押すと、原子の格子構造が変化し、正電荷と負電荷が分離されます。つまり、電池のように電圧が発生し、電流が流れます。

ああ、逆もできるんだ。圧電結晶に電圧をかけると膨張する。常に変化する電圧をかけると、結晶は振動して音を出す。これで小さなスピーカーのできあがり。とても薄いので、開くと曲が流れるグリーティングカードに使われているんだ。

これはおもちゃから取り出したピエゾスピーカーをLEDに接続したものです。叩くとLEDが光るだけのエネルギーが出てきます。すごくクールでしょ？

床パネルに圧電結晶を敷き詰めたとします。人が歩くと、結晶が圧縮されて発電します。これが、日本のサウンドパワー株式会社（現グローバル・エナジー・ハーベスト）が開発した発電床です。

英国企業Pavegenは、床の下部に小さなフライホイールを備えた床を採用しています。足で床を踏むとフライホイールが回転し、磁場下でコイル状の電線を回転させ、電流を発生させます。これは電磁発電機の一種で、私たちが日常的に使う電力のほとんどはこの方法で作られています。問題は、発電機を何で回転させるかという点です。通常は風力、水力、あるいは（最も一般的には）化石燃料を燃焼させた蒸気が使われます。

民衆の力

では、一人の人間がどれくらいの電気エネルギーを生成できるのでしょうか？ざっくり計算してみましょう。（これは物理学者が手っ取り早く概算を出したいときに行うもので、より正確な数値を出す価値があるかどうかを判断できます。）

まず、電力とエネルギーの違いを簡単におさらいしましょう。簡単に言うと、電力とはエネルギーの伝達速度です。次の式に示すように、電力は単位時間あたりのエネルギー変化（ ΔE ）です。

ΔEがジュール、Δtが秒で測定される場合、電力はワットで表されます。これらの単位の感覚をつかむために、教科書を床から持ち上げてテーブルに置くのに約10ジュールのエネルギーが必要です。一般的なLED電球の消費電力は10～20ワットです。

歩いている人が、ひどく跳ねるボールのようなものだとしましょう。一歩踏み出すと、その人は地面に着地します。その過程で、（推定では）運動エネルギーはすべて失われます。運動エネルギーは重力による位置エネルギーの変化から得られるため、一歩のエネルギーは、その人の質量（m ）と移動した高さ（h ）だけで求めることができます。したがって、一歩のエネルギーは次のようになります。

人間の質量を70kg、身長の変化を2cmとします。地球上の重力はg = 9.8ニュートン/kgであることを覚えておいてください。でもちょっと待ってください！一歩は体重の半分なので、1/2倍にします。また、速歩する人は1秒間に2歩歩くと仮定します。つまり、時間間隔は0.5秒で計算できます。

これらの値を代入すると、平均出力は13.7ワットとなります。もちろん、これはシステムの効率が完璧であることを前提としています。最低限の見積もりとして、床効率が10%だと仮定してみましょう。そうすると、平均出力は1.37ワットになります。もし1ワットから10ワットの範囲であれば、妥当な値と言えるでしょう。

混雑した空港に人力発電のフロアがあり、一人当たり5ワットの電力を供給できるとしたらどうでしょう。つまり、100人が利用すれば合計500ワットの電力を供給できることになります。これはコンコースを照らすのに十分なはずです。もちろん、深夜など空港が閑散としている時は照明がないので、何らかのバックアップを用意しておくのが良いでしょう。