エネルギー科学の学理の確立をはかる

エネルギー応用基礎学

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「21世紀はエネルギーの時代」と言われ、エネルギー問題は世界的な課題となっています。エネルギー問題と資源問題および環境問題には非常に密接な関係があります。安価で大量のエネルギーがあれば、ほとんど全ての廃棄物をリサイクルすることが可能になり資源問題は解決できます。また、石油や石炭、天然ガス、ウランなどの地下資源を消費しないで発電すれば、多くの環境問題も解決できます。つまり太陽光発電や風力発電などの自然エネルギーのみで全世界のエネルギーをまかなうことができるようになれば、資源問題も環境問題もほぼ解決でき人類は豊かな21世紀を謳歌することができるわけです。

では、自然エネルギーのみで全世界が必要とするエネルギーをまかなうことは可能なのでしょうか?例えば、太陽光の持つエネルギーは日本付近で1 kW/m2程度であり、エネルギー密度としては余り高くないので使い勝手は良くありません。しかし、地球全体で受け取る太陽光エネルギーは膨大な量で、大雑把な試算ですが、全世界の砂漠のたった4%の面積に太陽電池(効率100%として計算)を敷き詰めて発電するだけで、全世界で必要なエネルギーを電気エネルギーとして発電できることが知られています。この電気を世界各地に配ることができれば、全世界のエネルギー問題、資源問題、環境問題は一気に解決できてしまいます。

一見、荒唐無稽に思えますが技術的には可能です。現在の太陽電池の発電効率は一般に販売されているものでも10%を越えています。残る問題はどのようにして世界中に電線を敷設するかだけです。ご存知のように普通の銅線に電気を流すと電気抵抗の存在によって電気エネルギーの一部が熱に変換されて失われてしまいます。送電距離が長くなるほど、この熱による電気エネルギーのロスは大きくなり、世界的規模の送電は現実的ではありません。しかし、電気抵抗がゼロである「超伝導体」を使って電線を作ることができれば、世界中に電気を送ることが可能になります。

私たちの研究室では、21世紀のエネルギー、環境、資源問題を一気に解決することを夢見て、高性能な超伝導電線の実用化を目指した研究を行っています。超伝導体は高性能であるが故に気難しく、電線の中で分子の向きをx, y, z方向とも揃えてやらなければなりません。そこで私たちの研究室では独自に開発した結晶方位を揃えた金属テープ上に、半導体製造技術とプラズマ、イオンビーム、レーザーなどを組み合わせた新しい成膜技術を駆使して結晶の向きを揃えた超伝導層を成長させることに成功しました。この技術は様々な電気製品の高性能化にも有効であると考えられますので、太陽電池、液晶ディスプレイなどの研究にも取り組んでいます。

高性能な超伝導電線の実用化

Ⅰ 結晶方位を揃えた高温超伝導線材の開発

高温超伝導体と呼ばれる1群の材料はどこでも手に入る液体窒素(皮膚科にもおいてあります)に漬けて冷却するだけで電気抵抗ゼロの状態となるので,その実用化が強く望まれています。この高温超伝導体を用いた電力ケーブルが実用化できれば,世界各地の砂漠に設置した太陽光発電装置を地球的規模の高温超伝導ケーブル網に組み込むことで,地球上の全てのエネルギーをまかなうことができるとの試算もあります。

結晶方位を揃えた高温超伝導線材の開発

Ⅱ 次世代MRI診断装置向け超伝導線材開発に関する研究

X線による被爆なしに身体内部の立体画像が撮影できるMRI診断装置は、広く普及しています。しかしその運転には高価で資源の枯渇が心配されているヘリウムを液化して使用しなければなりません。当研究室ではヘリウムを使わずに冷凍機で運転できるMRI診断装置の実用化を目指して、MgB2超伝導体を使った電線の研究を行っています。

次世代MRI診断装置向け超伝導線材開発に関する研究

Ⅲ 結晶方位制御によるエネルギー材料の高性能化の研究

高性能な薄膜太陽電池や燃料電池の開発のために、それらの心臓部である半導体薄膜や電解質膜の結晶方位を単結晶のように揃える研究を行っています。イオンビーム技術やプラズマ技術、イオンビーム技術を駆使して、様々な成膜手法により新たらしい成膜プロセスの開発にも取り組んでいます。

結晶方位制御によるエネルギー材料の高性能化の研究

Ⅳ シリサイド半導体に関する研究

環境にやさしい半導体基盤を目指してシリサイド半導体,半導体ナノ結晶の基礎物性と応用研究を総合的に進めています。

教員と居室

土井俊哉 教授 吉田キャンパス工学部2号館208室
前田佳均 准教授 吉田キャンパス工学部2号館210室
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