深宇宙ミッションの電力源となる熱電発電機を作ろう

「熱機関」という言葉を聞くと、熱力学の入門講座で覚えた嫌な記憶が蘇るかもしれません。でもご安心ください。想像できる中で最もクールな熱機関、熱電発電機（TEG）をお見せします。

熱機関の基本的な考え方は、温度差から有用なエネルギーを取り出すことです。この出力エネルギーは、機械的、電気的、あるいはその他様々な形で利用されます。しかし、おそらく皆さんも目にしたことがあるであろう非常に基本的な例があります。それは蒸気機関です。水を加熱して蒸気を発生させ、蒸気が膨張して何かを押し出します。そして、蒸気が凝縮して何かを縮めます。

この蒸気機関が機能するには、外気温が蒸気の温度よりも低くなければなりません。そうでなければ、蒸気は凝縮しません。実際、すべての熱機関は温度差に依存しています。蒸気機関の仕組みについてより詳しく知りたい方は、こちらの動画をご覧ください。

さあ、今まで見た中で最もシンプルな熱機関の作り方をご紹介します。自分で作ることもできます。必要なのは、ペーパークリップと裸銅線（または2種類の異なる金属線）だけです。ここでは鋼鉄製のペーパークリップを使います。ペーパークリップを2つに切り、それぞれの端を銅線に接続します。こんな感じになるはずです。

冗談抜きで、この装置だけで熱電発電機が作れるんです。すごいと思いませんか？！ 動作させるには、銅と鋼の接合部の片方の端を何か熱いものに、もう片方の端を何か冷たいものに差し込むだけです。ペーパークリップの両端がこの発電機の出力になります。これはあまり効率的な熱電装置ではないので、出力は電圧計に接続します。熱い端にはホットプレートを使い、冷たい端には塩と氷（普通の氷よりも冷たいもの）を使います。出来上がりはこんな感じです。

電圧計からわかるように、1.2ミリボルトが出ています。大した値ではありませんが、一応は出ています。（念のため言っておきますが、ホットプレートの重りは銅と鋼の接合部を押し下げて接触を良くするためのものです。）

ここに見られるのは、ゼーベック効果（トーマス・ゼーベックにちなんで名付けられました）です。異なる2種類の金属を異なる温度で接触させると、電流が発生します。この効果は温度差が大きいほど顕著になり、金属の組み合わせによって性能が異なります。これが熱電発電機です。

実は、2種類の金属の代わりに半導体を使えば、より優れた発電機を作ることができます。しかし、2種類の金属を使う方がはるかに簡単に作れます。こちらは半導体を使ったデモです。この装置は2本のアルミニウムの脚で挟まれており、片方の脚は温水に、もう片方の脚は冷水に浸けられています。装置からの出力は、上部にある小型の電動モーターに送られます。

では、これはどのように機能するのでしょうか？なぜ（異なる金属の）温度差によって電流が生じるのでしょうか？詳しくは説明しません。長くなりすぎるからです。でも、超簡単に答えるとすれば、電気伝導体には（ある程度）動き回れる自由電荷があります。電場をかけると、これらの電荷が移動して電流が発生します。通常、これらの電荷は電子だと考えられていますが、他のものかもしれません。金属の片端を熱く、もう片端を冷やすと、熱い側の電子はより多くのエネルギーを持ち、より動き回ります。これらの熱い電子は広がり、冷たい端の電子はエネルギーが低くなります。電荷の分離の程度は、特定の金属によって異なります。

今度は、両端の温度が異なる別の金属を用意しましょう。この金属は最初の金属とは異なるため、高温端と低温端で電荷の分離が異なります。これらの異なる金属を組み合わせると、一種の電池が形成されます。あまり良い電池ではありませんが、それでも電池のようなものではあります。そして、こうして熱電発電機の完成です。

もしあなたが家の電力源として熱電発電機を作ろうとしているなら、残念なお知らせがあります。この発電機は非常に効率が悪いのです。何か役に立つものを得るには、かなり大きな温度差が必要です。しかし、良いニュースもあります。この熱電発電機には可動部品がありません。可動部品がないということは、小型で非常に信頼性が高いことを意味します。だからこそ、ボイジャーやカッシーニなどの宇宙船に使用されているのです。温度差を作るために、宇宙船は非常に高温を保つ放射性物質を使用します。つまり、それだけです。これが、放射性同位体熱電発電機（RTG）の仕組みです。ペーパークリップと銅線を使った発電機と似ていますが、はるかに優れています。

でも待ってください！まだあります。2つの異なる金属を使って、別のこともできます。同じ2つの金属を使って、両端を異なる温度にして電圧をかけるのではなく、電池につないでみたらどうでしょうか？また、温度を測りやすくするために、両端を水に浸けておきます。測定可能な効果を得るために、2つの変更を加えました。鋼鉄の代わりにニクロム線を使用し、複数の接続点を直列に接続しました。これがその様子です。

どちらのビーカーの水も最初は室温です。ご覧の通り、余分な配線があります。これは、同じ量の2つの水の温度を測定するためのものです。単1電池を接続すると、時間の関数として温度を測定できます。片方のビーカーの水の温度が上昇し、もう片方のビーカーの水の温度が下がるのが見えるはずですが、うまくいきません。設定を改良する必要があるかもしれませんが、これでうまくいくはずです。これはペルチェ効果（実際に機能する場合）と呼ばれています。ゼーベック効果の逆です。

もっと分かりやすいデモンストレーションをご紹介します。熱電発電機から電気モーターを取り外し、電圧をかけます。すると、片側が温かくなり、もう片側が冷たくなります。手で触って確認することもできますが、インターネットではうまくいきません。代わりに、この赤外線画像をお見せします。

はい、これは基本的に冷蔵庫です。冷却効率はそれほど高くありませんが、可動部品なしで温度を下げることができる超小型デバイスを作ることができます。ペルチェ冷却器は、熱ノイズに非常に敏感なカメラに非常に役立ちます。また、車の運転中に飲み物を冷たく保つのにも役立ちます。ペルチェ冷却器の別名である熱電式ワインクーラーも作られています。

さて、最後に2種類の金属を使ってできることがもう一つあります（念のため、放射性熱電発電機を作りたくない場合に備えて）。2種類の金属を使って温度を測ることができます。そう、ビーカーの水の中に設置したセンサーは、2種類の金属の温度差によって発生する電圧を測定することで機能していました。

たった 2 枚の金属でこのすべてを実現できるのであれば、3 枚で何ができるか想像してみてください。