ミニ冷蔵庫は原子力発電所の遠い親戚だというのは本当ですか?

今日の話は小さな冷蔵庫から始まります。

暑い夏、外に出て5分もすると汗が大量に出る季節です。暑い日に缶入りのアイスコーラを飲むために、私はタオバオで68元という大金を費やして小型冷蔵庫を購入しました。冷房だけでなく、冬場は暖房ボックスとしても使えます。

最近の冷蔵庫はそんなに多機能なのでしょうか？何かが異常であれば、何かが間違っているに違いありません。冷蔵・保温の両方に使える安価な冷蔵庫は、決して本物の冷蔵庫ではありません。徹底的に調査しなければなりません!

ミニ冷蔵庫は「本物の」冷蔵庫でしょうか?

えーっと、調査した結果を発表しますと、名前が同じであるという事実を除けば、この冷蔵庫と我が家の冷蔵庫の冷却原理に大きな違いがあるとは言えません。それらは全く無関係です。一般的な冷蔵庫の冷却原理については説明の必要はありません。インターネット上のカラフルな小型冷蔵庫のコア部品は半導体冷却チップです。

半導体冷却チップは次のようになります。

(画像出典: Wikipedia)

その構造は非常にシンプルで、小さな四角いピースと 2 本のワイヤーで構成されています。冷却チップの電源を入れると、小さな四角いチップの片側が熱くなり、もう片側が冷えます。電源の方向を変えると加熱面と冷却面も逆になります。半導体冷凍チップを使用した小型冷蔵庫は、冷却と加熱の両方が可能です。

（画像出典：著者自作）

さらに、半導体冷蔵庫に必要な電圧も非常に低く、パワーバンクから電力を供給することができます。車載冷蔵庫のほとんども半導体冷蔵庫です。

半導体冷蔵庫は、2 つの異なる半導体材料を貼り合わせて、各材料からワイヤを引き出しています。動作中、ワイヤが DC 電源に接続されると、熱が 1 つの材料から別の材料に伝達され、一方が冷却され、もう一方が加熱されるように見えます。

この現象はペルチェ効果と呼ばれます。この効果は1834年にフランスの物理学者JCAペルティエによって発見されました。ペルティエはもともと時計職人でしたが、30歳の時に物理学の実験と観察を始めました。彼の日々の生活は、アルプスで水を沸騰させてその温度を測ったり、海辺で水柱を観察して竜巻がどのように形成されるかを考えたりすることです。

しかし、これらの一見「役に立たない」手段のおかげで、多くの「役に立つ」科学的原理が生まれたのです。ですから、みんなでこう言いましょう。「ペルティエ、ありがとう！」

熱電現象のビッグスリー

物理学が発展し、より完璧になるにつれて、科学者たちはペルチェ効果と他の 2 人の科学者によって発見された効果をまとめ、総称して熱電現象と呼ぶようになりました。現在、この3つの現象を利用して作られた機械は世界中に広まっており、中には地球の外まで行ったものも存在します（心配しないでください。これを読めば、それが何なのかがわかります）。

熱電現象の三大巨頭は誰でしょうか？

ペルチェ効果については以前にも言及しました。ここでゼーベック効果について紹介します。2 つの異なる導体がループ状に接続され、両側の材料の温度が異なる場合、回路に電流が発生します。この効果はペルチェ効果の逆です。

つまり、半導体冷蔵庫を用意し、両側に温度差を作ります（たとえば、片側に氷を貼り付け、反対側に断熱袋を置くなど）。この半導体冷蔵庫は温度差を利用して電気を生み出す発電機になります。

最後の現象はトムソン効果です。電流が温度勾配のある均一な導体（一方の端が熱く、もう一方の端が冷たい鉄線）を流れると、導体は一定量の熱を吸収または放出します。

ペルチェ効果を利用した半導体冷蔵庫では、アイスコーラやホットミルクティーを楽しむことができますが、発電はゼーベック効果（温度差＋熱電変換器＝発電機）に依存しています。

第二次世界大戦中、ソ連のゲリラには無線機を充電する場所がなく、通常の発電機はかさばって騒音も大きかった。そこで彼らは、ゼーベック効果に基づいたケトル型熱電発電機の開発を科学者に依頼しました。見た目は普通のケトルと変わりませんが、焚き火と水の間の約300度の温度差を利用して発電し、この発電機の充電電力は6Wに達します。

(写真提供: pikabu.ru)

その後、灯油ランプの熱を利用して発電するTKG-3型発電機が登場しました。人々は夜に灯油ランプを灯してラジオを充電することができました。

(写真提供: pikabu.ru)

小さな「原子力発電所」 - RTG

熱電発電機自体には可動部品がなく、耐久性に優れているため、航空宇宙産業で人気を博しています。

深宇宙探査ミッションを実行する場合、宇宙船は太陽から遠く離れた場所や影の領域にあり、光が著しく不足し、低温環境に直面する可能性があります。このような環境では、宇宙船への電力供給が大きな問題となります。

この問題の解決策は、RTG（Radioisotope Thermoelectric Generator）と呼ばれる放射性同位体熱電発電機です。 RTG はゼーベック効果を利用して、放射性同位体の崩壊によって発生する熱エネルギーを電気エネルギーに変換します。

RTGの発電プロセスは崩壊熱回収段階と温度差発電段階に分かれています。一般的な RHU/RTG を例に挙げると、放射性元素 (プルトニウム 238) は崩壊するときに放射線を放出し、放射線を構成する高エネルギー粒子は周囲の物質と相互作用するときにブロックされ吸収され、このプロセスによって熱が発生します。

設置された装置は、非常に長時間の発熱持続性（数十年間の発熱が可能）を持つ熱源と同等です。熱源が長持ちするため、RHU/RTG の発電能力も非常に長持ちし、安定しています。発電時に発生する廃熱は宇宙船を保温するために利用することができ、一石二鳥だ。

RHU: 放射性同位元素加熱ユニット

RTG: 放射性同位元素熱電発電機

（出典：参考文献1）

ボイジャー2号探査機（1977年に打ち上げられ、2018年に太陽圏を飛び出し、恒星間空間に突入した2番目の宇宙船となった）に搭載されたRTGは、41年間安定して稼働し続けている。火星探査車「キュリオシティ」と火星探査機「嫦娥4号」にもRTGが搭載されている。

キュリオシティ探査機の後ろにあるRTG

(画像出典: Wikipedia)

もちろん、RTG は宇宙の極限環境も克服できるので、地球上の極限環境も RTG にとっては簡単です。

北極の冬の長い極夜の間、灯台はエネルギー供給を RTG に頼っています。 1992 年時点で、米軍は北極圏の軍事施設に電力を供給するために RTG も使用していました。小型化されたプルトニウム238電池はペースメーカーの電池としても使用されています。

フレキシブル回路や新素材の登場により、熱電現象を利用したデバイスの性能は大幅に向上します。おそらく将来的には、スマートウォッチが人体皮膚と空気の温度差を利用して十分な電力を得られるようになるか、あるいは柔軟な半導体冷却装置を衣服に埋め込むことで、夏でも怖くない冷却衣服が実現するだろう。

参考文献:

[1] Niu Changlei、Tang Xian、Li Xin、他。 ~(238)Pu同位体熱・電源の開発と展望[J]。原子力科学技術、2020年、54(S01):9。