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Sep 06, 2023

スマートウィンドウがどのようにエネルギーを節約するか

Credito: modificato da ISTOCK.COM / ISMAGILOV Finestre intelligenti con cambi di colore reattivi

クレジット: ISTOCK.COM / ISMAGILOV より変更

熱や光などの刺激、またはユーザーの好みに応じて色が変わるスマートウィンドウは一般的になってきていますが、この技術が主流になるまでにはしばらく時間がかかるかもしれません。

冬の間熱を閉じ込め、夏の間に熱を逃がす特殊なガラスは、コストと複雑さが邪魔にならない限り、建物の効率をはるかに高める可能性があります。

ブリトニー・J・ミラー著 2022年8月6日

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太陽の光が降り注ぐ窓から差し込む自然光は、目を細めて額の汗を拭うまでは最高です。 シェードを閉めたり、エアコンをつけたりすることはできますが、部屋が暗くなったり、電気代が上昇したりすることになります。

この難問に対する解決策は 40 年前に考えられました。それは、好みに合わせて調整できるスマート ウィンドウです。 特定の波長の光を遮断する特殊な素材を使用することで、これらの窓は天候や個人の快適さに適応します。 熱すぎる？ 光を遮断し、部屋を涼しく保つために、窓に色が付くことがあります。 寒すぎる？ 色合いが消え、暖かい自然光が空間を暖めます。 プライバシーが必要ですか? ガラスによっては、スイッチを押すだけで曇る場合があります。

過去数十年にわたるスマート ウィンドウの研究の進歩により、この技術は研究室の枠をはるかに超えています。スマート ガラスの市場は 2028 年までに 75 億ドルに達すると予想されています。スマート ウィンドウの種類はすでにボート、自動車、飛行機に搭載されており、オフィスや空港ターミナルなどの建物に侵入します。 そして、いくつかの重要な課題を克服できれば、いつか住宅のエネルギー効率を高める上で重要な役割を果たす可能性がある、と支持者らは言う。

米国のエネルギー消費のなんと 39 パーセントを建物が占めており、そのうち 35 パーセントは暖房、換気、空調に関連しています。 スマート窓は熱を選択的にブロックしたり、熱を取り込んだりできるため、これらのエネルギー需要を軽減できます。一般的な建物のエネルギーの約 35 パーセントが窓から失われます。

しかし、スマート ウィンドウが主流になり、全員のエネルギー使用量を削減するには、価格を下げる必要があります。 現在のデバイスの価格は、標準的なエネルギー効率の高いウィンドウの価格の最大 10 倍になる場合があります。 この技術をより安価に、そしておそらくはさらにスマートにすることは、研究者にとって強い関心のある分野です。

材料物理学者のクレス・ゴーラン・グランクヴィスト氏は、将来的には、「これらのスマートウィンドウ以外のウィンドウを使用する理由は実際には存在しない」と述べています。

スマート ウィンドウは、電話やテレビが「スマート」とみなされるずっと前に誕生しました。 1980 年代初頭、スウェーデンのチャルマーズ工科大学とカリフォルニアのローレンス バークレー国立研究所の科学者たちは、エネルギー効率の高い建築材料を作る新しい方法についてブレインストーミングを行っていました。 研究者らは、色合いを動的に変える応答性の高いウィンドウのアイデアを思いつきました。 その初期の研究に参加していたグランクヴィスト氏は、助成金申請書に「スマート ウィンドウ」という言葉を使用しました。 この名前は定着し、1984 年に最初のスマート ウィンドウが誕生しました。

窓は建物内に楽しい空間を創り出し、快適な室内環境を維持するために重要な役割を果たしています。 次世代のスマート ウィンドウは、より環境に優しく、エネルギー効率の高い経済の鍵となります。

オリジナルのプロトタイプのサイズはわずか数センチメートルで、透明から暗色に可逆的に変化するガラスを特徴としていました。これは、ガラス、複数の材料層、および小さな電気を供給する透明な導体を一緒に挟むことによって達成された偉業です。 電圧によって材料と光の相互作用が変化し、反射または吸収される波長が変化しました。

技術が進歩するにつれて、研究者は、熱、紫外線、磁気などの他の刺激に反応して光を操作する他の物質を探索しました。 現在、さまざまな特殊な「スマートマテリアル」が使用されており、研究者たちは新しいマテリアルの研究を続けています。

これらの初期のプロトタイプでは、電流または電圧に応じて可逆的に変化する「エレクトロクロミック」材料が使用されていました。 エレクトロクロミック ウィンドウは通常、電極 (バッテリーの正極と負極のような) として機能する 2 つの層と、イオンを含む内側の電解質層を含む、全体で 5 つの層で構成されています。 電圧が印加されると、正に帯電したイオンが一方の層に移動し、電子がもう一方の層に移動します。 この反応により、熱を帯びた赤外線だけでなく、一部の可視光も遮断する色合いが生成されます。 この色合いは、もう一度電圧を印加すると電子とイオンが引き出される逆反応が起こり、ウィンドウが再び透明になるまで残ります。

スウェーデンのウプサラ大学オングストロム研究所のグランクヴィスト氏は、「まるで電池の中のようなものです」と語る。 「充電するにはある程度のエネルギーを費やす必要がありますが、その後は長時間維持できます。」

エレクトロクロミック ガラスはスマート ウィンドウで広く使用されており、すでにプライバシー スクリーン、ディスプレイ パネル、ボートの窓、航空機の窓、一部の自動車のサンルーフなどで使用されています。 一部の種類のエレクトロクロミック ガラスは、電力が供給されていないときはほぼ不透明になります。 この状態では、ガラスの反応性物質（結晶滴であれ、その他の浮遊粒子であれ）が無計画に配置され、光を通過させずに散乱させ、ガラスを曇らせます。 しかし、電流を流すと液滴や結晶が整列し、ガラスが透明になります。

これらおよびその他のエレクトロクロミック窓により、建物の居住者は色合いのレベルを手動で制御できますが、電気技師は電極アレイと付随するワイヤを適切に構築する必要があり、設計と設置が複雑になります。 このため、他の一部のスマート ウィンドウ デザインよりも価格がはるかに高くなります。 その一方で、材料は比較的安価であり、安価で拡張可能な製造方法が目前に迫っているとグランクビスト氏は言います。

そして、エレクトロクロミックウィンドウにはまだ改善の余地があります。 研究者は、効率とウィンドウの寿命を向上させることを目的として、新しい応答性材料の研究を続けています。 たとえば、赤外光と可視光の両方を遮断する他の2つの金属をドープした酸化スズを含むプロトタイプは、既存のエレクトロクロミックウィンドウよりもはるかに長いオン/オフサイクル持続したと科学者らが最近ACS Omegaで報告した。

サーモクロミックと呼ばれる、熱に反応して変化する別のクラスのスマート ウィンドウには、エレクトロクロミック ウィンドウのような複雑な配線や電源がありません。 動的窓ガラスのメーカーであるプレオティント社を設立した材料科学者のハーラン・バイカー氏によると、長年研究されてきたサーモクロミック材料の1つは二酸化バナジウム（VO2）だという。

スマート ウィンドウは、透明状態と遮断状態を切り替えることができます。これは、可逆的に形状が変化する素材を利用することで達成されます。 一部の材料は熱または電気に反応して変化します (図を参照)。 磁場、機械的歪み、または湿度レベルに反応するものもあります。

VO2 は高温 (摂氏約 68 度、華氏 154 度) で形状を変化させる能力があり、赤外線を反射する能力が高まります。 これにより、可視光が流入し続けて部屋を明るくすると同時に、入ってくる熱の量を減らして部屋を涼しく保ちます。 研究者らはVO2に特殊な物質を混ぜて低温で反射させることはできるが、これにより光の反射が妨げられ、製品を実験室から商業市場に移行することが困難になるとバイカー氏は言う。

次世代のサーモクロミックウィンドウは、エレクトロクロミックウィンドウと同様に、光を反射するのではなく吸収するさまざまな素材を使用し、温度が上昇すると連続的な色合いを生み出す可能性があります。 最近開発された物質の 1 つは、金属イオンと他の分子の間の相互作用を利用して、外気が寒いときは赤外線と可視光線の吸収を減らし、より多くの熱を取り込みます。気温が高いときは、材料はより多くの光を吸収し、それに伴う熱を遮断します。

シンガポールの南洋工科大学の材料科学者ロン・イー氏は、それぞれの温度応答性材料は異なる温度で遷移し、多かれ少なかれ色がかっているように見える可能性があり、課題があると述べています。 ヒドロゲルと呼ばれるポリマーなどの一部のものは、熱を逸らすのに優れていますが、色が不透明すぎて透けて見えないのが特徴です。 VO2 などの他のガスは、視界を確保するのに十分な透明性を持っていますが、熱を反射できないため、エネルギー効率がそれほど良くありません。

「完璧な材料はありません」とイー氏は言います。 「特定の用途に最適な材料しか見つかりません。」

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応用例の 1 つは、光を散乱させるだけでなく熱を閉じ込める窓を設計することです。 たとえば、イー氏の研究室は、一日の中で最も日当たりの良い時間帯に集めた熱を蓄え、需要とコストが低い日中の涼しい時間帯に熱を放出できるサーモクロミック窓を開発している。

これは、水とヒドロゲルを組み合わせたハイドロ液体を 2 枚のガラスの間に置くことで実現できます。 温度が摂氏 30 度 (華氏 86 度) を下回ると、ヒドロゲル内のポリマー鎖が膨張し、ガラスが透明になります。 このしきい値を超えると、チェーンが紙のようにくしゃくしゃになり、互いに絡み合って色合いを生み出し、近赤外線と可視光を散乱します。 混合物中には大量の熱を保持できる水が含まれているため、ハイドロリキッドは熱を吸収し、時間の経過とともに徐々に熱を放出します。 Yi 氏のシミュレーション データによると、これにより、暖房、換気、空調のエネルギー必要量が複層ガラスに比べて 35% 削減できます。

彼女の最新の研究では、双方向の窓が導入されています。 2021年の『サイエンス』誌に記載されているように、イー氏のチームは、エネルギー効率の高いコーティングとVO2を特徴とする窓を開発し、熱がこもった赤外線が建物に入るのを防ぎ、同時に室内の熱を外に放射することで、夏には部屋を涼しくすることができる。 このメカニズムは、気温が寒くなる冬には逆転します。材料は光を取り込み、室内の熱の放射を防ぎます。 現在市販されているエネルギー効率の高いガラスコーティングと比較して、この新技術はエネルギー消費を最大 15% 節約できる可能性がある、と Yi 氏は言います。

研究者らは、夏に熱を帯びた近赤外線の侵入を遮断し、熱を外に放射するスマートウィンドウを開発中です（左）。 冬には、これらの窓から近赤外線が取り込まれ、室内の熱が外に放射されるのを防ぎます（右）。 可視光は季節を問わず入ってきます。

クレジット: S. WANG 他 / Science 2021

スマート ウィンドウは、世界のエネルギー節約の進歩に役立ちます。しかし、電気自動車などの他のイノベーションに見られるように、より環境に優しい未来への道は少々険しいものになる可能性があります。

スマートウィンドウの高額な価格は、より多くの空間への拡張にとって大きな障害となっている、と化学・生体分子工学年次レビューのスマートウィンドウ材料の 2016 年の概要が指摘されています。 たとえば、エレクトロクロミック窓は、電源システムが複雑で設置プロセスに時間がかかるため、エネルギー効率の高い窓よりも数倍高価になる可能性があります。 また、サーモクロミック窓は安価ではありますが、それでも通常の窓よりも高価です。 ほとんどの消費者は、たとえスマート ウィンドウのエネルギー上のメリットがないとしても、より安価なオプションを選択するでしょう。

科学者たちは技術の改良を続けていますが、現時点ではスマート ウィンドウの成否は主に経済学にかかっています。 スマートウィンドウが普及するには、その価格を下げる必要がある、と窓コーティングコンサルティング会社スターサイエンスのマネージングパートナーである材料科学者で電気技術者のカール・ランパート氏は言う。 エネルギー効率の高い製品を表すエネルギースターのシンボルのように、政府のリベートプログラムに窓口を含めることが役立つかもしれない。 新しい進歩、そのパフォーマンス、エネルギー節約について消費者をより良く教育することも、需要を高める可能性があります。

研究は、コストとリスクを削減する、よりシンプルで安価、耐久性の高いスマート ウィンドウへの道をゆっくりと切り開いています。 しかし、消費者はそれを待たなければならないかもしれない。イー氏は、新製品が研究所から出て市場に投入されるまでには 10 年かかるかもしれないと見積もっている。

最終的には、テレビのリモコンのように、消費者の欲求に受動的に調整したり、ボタンの押下に反応したりするようなウィンドウがさらに普及する可能性がある、とランパート氏は言う。 彼は、従業員に混乱を引き起こすことなく、ホームセンターでスマート ウィンドウを要求できる未来を想像しています。 そして他の研究者も次のように同意しています。

「動的ウィンドウは避けられません」とバイカー氏は言う。 「ここでは産みの苦しみがすごくあるのよ。」

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Brittney J. Miller (@BrittneyJMiller) はフロリダ出身の科学ジャーナリストで、自分の周りの世界について書くのが大好きです。

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窓をこれまで以上にスマートでエネルギー効率の高いものにするために、研究者たちは、電気、温度、または光の強さに反応して色合いが変わる新しい素材を研究しています。

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