天気予報: もうすぐ雨が降ります、科学者: 分かりました、発信者番号です!

制作：中国科学普及協会

著者: チェン・ミンチェン (ポピュラーサイエンスクリエイター)

プロデューサー: 中国科学博覧会

「風のように夜に忍び込み、音もなくすべてを潤す。」雨は自然界の水循環に欠かせないものであり、世界中のあらゆるものに栄養を与えます。しかし、時には雨の日が続くと問題が発生することもあります。豪雨により貯水池、川、湖の水位が急上昇し、洪水が発生することもあります。水は船を運ぶこともできるが、転覆させることもできる。雨の二つの側面は、必然的に私たちの生活に大きな影響を与えます。

しかし、夏の暴風雨が猛烈に降り注ぐとき、雨粒にもかなりのエネルギーが秘められていると考えたことはありますか?

実際、雨水を利用した発電は以前から試みられており、一定の成果を上げている人もいます。近い将来には、雨水で発電した電気も利用できるようになるかもしれません。雨力の分野における科学研究者のさまざまな試みについて学びましょう。

チェラプンジ（インド）：「世界で最も雨の多い場所」として知られる

(画像出典: easternvoyages)

屋上のマイクロ水力発電所

雨水をどのように発電に利用できるのでしょうか?本質的には雨水と川の水に違いはないので、最も明白かつ直接的な方法は当然、まずこの「根無し水」を屋根などの高い場所に大量に貯めておき、その後水力発電の原理を利用して雨水の重力位置エネルギーを電気エネルギーに変換することです。

理論は単純ですが、実際に実行可能でしょうか?

視点を変えて、世界で最も水不足に悩む国の一つで、1,000万人以上の人々が水道水を利用できないメキシコを見てみましょう。首都メキシコシティでも、約25万人が依然として水不足に苦しんでいます。そのため、多くの家庭では、将来の使用に備えて雨水を収集するために家の軒先に集水管を設置しましたが、地域の深刻な大気汚染により、雨水に大量の不純物や汚染物質が混入するようになりました。

雨水の浄化と発電の問題を同時に解決するために、2014年にメキシコ工科大学のオマール、ロメル、グスタボの3人の学生が興味深いアイデアを思いつきました。彼らは雨水発電を現実に応用し、「Pluvia」という雨水発電システムを作り上げました。

3人の学生がPluvia雨水発電システムを発明

(画像出典: NewAtlas)

彼らは、水タンクの上部の入口に接続されたマイクロタービンを備えたパイプセクションを設計しました。屋根からの雨水は漏斗を通して集められ、木炭フィルターが敷かれたパイプを流れ、マイクロタービンを駆動して最終的に地下の貯水タンクに入ります。タービンの回転により発電機が駆動され、12 ボルトのバッテリーが充電されます。電気の一部は浄水器の駆動に使用され、処理された水は市の水道水よりもきれいになります。

このシステムはメキシコシティのイスタパラパコミュニティでテストされており、学生たちは現在、将来的にさらに多くの家庭の水と電気の問題を軽減できるよう、発電と貯蔵容量の増強を目指している。

雨水発電システムの概念図（この画像は3人の学生の作品ではありません）

(画像出典: スペクトラム)

3 人の学生は、紙の上の理論を革新し、地域住民に役立つ実用的な製品に変えようとする勇気があり、賞賛に値する。しかし、このエネルギー変換方法自体に大きな制限があるため、この形式の雨水発電の効率は低すぎ、改善の余地は極めて限られていることは間違いありません。

雨滴に「ジェネレータ」を追加する

従来の発電方法は発電機から切り離すことはできませんが、個々の雨滴にはわずかなエネルギーしかなく、継続的な電力を供給することはできません。そのため、雨水のエネルギーを集めて雨水発電の効率を高めるためには、特殊なタイプの「発電機」が必要になります。

その中でも圧電材料は、無数の「小さな発電機」が敷き詰められた素材です。電磁誘導を利用して電気を発生させるのではなく、自身の原子の特殊な配置を利用して、力によって生じた変形を直接電荷に変換します。

圧電材料の起源は非常に劇的です。 1880 年、フランスの物理学者ピエール・キュリー (有名なキュリー夫人の夫) と彼の兄弟ジャック・キュリーが研究室で圧電材料を発見しました。彼らは、水晶に大きな圧力がかかると、その表面の一部に微量の電荷が発生することに気づきました。

それ以来、圧電材料は広く使われるようになり、ライターやガスコンロの点火装置の中にも圧電材料が隠されています。交通量の多い駅や交差点などに敷設された「発電床」も圧電材料によって発電する。

ロンドンの圧電床の道

(画像出典: inhabitat)

2008年、フランス原子力委員会（CEA）傘下の技術研究開発機関で、マイクロナノテクノロジーとその応用を主な研究開発分野とするLetiが、Smart Materials and Structures誌に研究論文を発表しました。ロマン・ギゴン氏は、圧電材料を使用して雨滴からエネルギーを得るチームの手法を紹介しました。

左：雨水発電試験台 右：試験台底部の圧電材料

(画像出典: Smart Materials and Structures)

雨滴が地面に落ちると、非弾性衝突が発生します。この過程で、雨滴の破損、飛散、振動、粘弾性変形によりエネルギー損失が発生します。研究者らは「雨滴衝突モデル」を改良し、雨滴に利用可能なエネルギーの量を大まかに推定した。この衝撃によって発生する機械的エネルギーを捉えるために、科学者たちはPVDF（ポリフッ化ビニル）ポリマーと呼ばれる圧電材料を使用し、雨滴の運動エネルギーを電気エネルギーに直接変換することに成功しました。

異なる落下速度の雨滴をシミュレートすることで、研究者らは興味深いパターンも発見した。ゆっくり落下する雨滴はより多くの電気エネルギーを生成する傾向があり、これは高速の雨滴は飛び散りやすいためと考えられる。さらに、直径1～5mmの雨滴を観察したところ、雨滴1つあたりの利用可能なエネルギーは1～10mJの範囲にあり、「大雨」の雨滴は最大12mWの発電能力があることがわかった。

しかし、それでも携帯電話の充電の要件を満たすことはできません。携帯電話の低速充電に必要な電力は 5W で、これは少なくとも 5,000 個の大きな雨滴が同時に落ちる電力に相当します。近年、他の学者も同様の考えを採用してより深い研究を行い、圧電材料を雨水発電に使用する実現可能性を十分に確認しましたが、発電効率は突破されていません（0.12％以下）。

雨滴が地面に衝突する過程

（画像出典：Energy、著者翻訳）

ある意味、雨の力はすでに現実のものとなっているのでしょうか?

天気は予測できません。自然界の風、雨、雷、稲妻には膨大なエネルギーが含まれています。現時点では技術的な制限により、風のエネルギーの一部しか利用できません。しかし、実際には、このプロセスにおける「雨の力」は完全に無駄になるわけではありません。降雨には強風が伴うことが多く、雨滴を運ぶ風はすでにある程度の雨力発電を実現しています。

風力タービンの出力は前方の空気と密接な関係があり、雨と混ざった空気の密度はわずかに増加します。理論上、風力タービンは雨の日により多くの電力を生成します（ただし、わずかです）。さらに、雨水はブレードの表面に付着したほこりや汚れを洗い流し、もともと汚れていたブレードの空力性能を向上させます。そのため、「雨は自分には関係ない」というよりは、私たちが日常生活で使う電気には、間接的にすでに「雨雷」が含まれていることになります。

雨水発電の応用にはまだ長い道のりがあり、その道のりには風雨もあるでしょうが、何世代にもわたるたゆまぬ努力により、静かな雨粒がやがて私たちにさらに多くの電力を提供してくれると信じています。

雨の中の風力タービン

（写真提供：ファインアータアメリカ）

参考文献:

[1]ベン・コックスワース雨水を利用して発電する

[2]ギゴン、ロマン、シャイヨー、ジャン＝ジャック、イェーガー、トーマス、デスペス・ギスラン。雨滴エネルギーの収集：理論と雨滴エネルギーの収集：実験的研究。スマートメーター。構造。 17 (2008) 015038-9.

[3] マサチューセッツ州イリヤス、J.スウィングラー (2015)。雨滴の衝撃から圧電エネルギーを収集します。エネルギー、90、796–806。 doi:10.1016/j.energy.2015.07.114

[4] Xu、W.、Zheng、H.、Liu、Y. 他。瞬間電力密度の高い液滴ベースの発電機。ネイチャー578、392–396（2020）。

[5]F.-R. Fan 他「フレキシブル摩擦電気発電機」、Nano Energy (2012)、doi:10.1016/j.nanoen.2012.01.004

編集者：孫晨宇