マイクロパワー

マイクロパワーとは、非常に小型の発電機と原動機、または熱や運動を電気に変換する装置を発電機の近くで使用することを指します。^[1]発電機は通常、マイクロエレクトロニクス装置と統合されており、「数ワット以下の電力」を生成します。^[2]これらの装置は、バッテリーよりも軽量で動作時間が長い ポータブル電子機器の電源として期待されています。

タービンエンジンの部品、つまりガスコンプレッサー、燃焼室、タービンローターは、集積回路のようにエッチングされたシリコンから製造されます。この技術は、マイクロパワーユニットと同じ重量のバッテリーの10倍の動作時間と、大型のユーティリティガスタービンと同等の効率を約束します。マサチューセッツ工科大学の研究者は、これまでにエッチングして積み重ねた6枚のシリコンウェハーからこのようなマイクロタービンの部品を製造することに成功しており、それらを組み合わせて米国の25セント硬貨ほどの大きさの機能するエンジンを作ることを目指しています。^[3]

ジョージア工科大学の研究者らは、シリコンチップ上に作られたコイルの配列の上で磁石を回転させる幅10mmのマイクロ発電機を開発した。この装置は毎分10万回転し、携帯電話を動かすのに十分な1.1ワットの電力を生成する。研究者らの目標は、ノートパソコンを動かすのに十分な20～50ワットを生成することである。^[4]

リーハイ大学の科学者たちは、メタノール、ディーゼル、ガソリンをマイクロエンジンや小型燃料電池の燃料に変換できるシリコンチップ上の 水素発生器を開発している。 ^[5]

ノースイースタン大学化学部のサンジーヴ・ムケルジー教授は、水素を燃焼させて暗視ゴーグル、コンピューター、通信機器などの携帯用電子機器に電力を供給する軍用燃料電池を開発している。彼のシステムでは、メタノールのカートリッジを使用して水素を生成し、小型燃料電池を最大 5,000 時間稼働させる。同じ出力を供給するために必要な充電式バッテリーよりも軽量で、稼働時間も長くなる。同様の技術は、将来的に改良され、自動車に電力を供給するために拡張される可能性がある。^[6]

全米科学アカデミーの国立研究評議会は2004年の報告書で、コンピューター、センサー、通信機器に電力を供給するのに十分なバッテリーは歩兵の負担にかなりの重量を加えることになるため、将来兵士が携行する電子機器に電力を供給するために、このようなマイクロ電源を米陸軍が調査すべきであると勧告した。 [ ^7]

米陸軍の未来戦士コンセプトでは、液体炭化水素を燃料とする2～20ワットのマイクロタービンが、10オンスの燃料で最大6日間、通信機器やウェアラブル暖房/冷房機器に電力を供給することを想定してい^{[8] 。}

ユタ大学物理学部のオーレスト・シンコ教授と彼の学生は、廃熱を音響共鳴に変換し、さらに電気に変換する1立方インチ（16立方センチメートル）程度の装置である熱音響圧電エネルギー変換（TAPEC）を開発した。これは、微小電気機械システム（MEMS）に電力を供給するために使用される。この研究は米国陸軍によって資金提供された。シンコは、米国音響学会で論文を発表することになっていた。^[9] 2007年6月8日。MITの研究者は、2005年に薄膜PZTを使用した最初のマイクロスケール圧電エネルギーハーベスターを開発しました。^{[10]アルマン・ハジャティとサングック・キムは、二重クランプされた}微小電気機械システム（MEMS）共振器の非線形剛性を利用して、超広帯域マイクロスケール圧電エネルギーハーベスティング装置を発明しました。二重にクランプされた梁の伸張ひずみは非線形剛性を示し、受動的なフィードバックを提供し、振幅が強化されたダフィングモード共振をもたらす。^[11]

ジョージア工科大学のZhong Lin Wang教授は、彼の研究チームが「垂直に整列した酸化亜鉛ナノワイヤのアレイを基にしたナノメートル規模の発電機」を開発したと述べた。この発電機は「ジグザグ」のプレート電極内を移動する」もので、靴に組み込めば、歩行から電気を生成し、小型電子機器に電力を供給することができる。また、血流によって電力を供給し、バイオメディカル機器に電力を供給することもできる。^[12] Science誌に掲載されたこの装置の説明によると、酸化亜鉛ナノワイヤアレイを曲げると、材料の圧電特性によって電界が発生する。装置の半導体特性により、整流機能を備えたショットキー障壁が形成される。この発電機は、機械的運動を電気に変換する効率が 17% から 30% と推定されている。これは、データと制御用の無線伝送機能を備えたバイオメディカル機器に電力を供給するために使用できる。^[13]その後の開発では、電極として機能する基板上にこのようなナノワイヤを数百本成長させた。この上に、一連のプラチナ隆起で覆われたシリコン電極を配置し た。上部電極の振動により直流電流が生成された。^[14] 2007 年 8 月 8 日号の「ナノ レターズ」誌に、このようなデバイスが埋め込み型バイオメディカル デバイスに電力を供給できるという Wang のレポートが掲載される予定だった。このデバイスは、流れる血液または鼓動する心臓によって電力を供給される。体液に浸した状態でも機能し、超音波振動からエネルギーを得る。^[15] Wang は、デバイスのアレイが 1 立方センチメートルあたり 4 ワットを生成できると予想している。^[16]今後の開発目標は、ナノワイヤ アレイの効率を高め、2007 年 4 月時点で約 1 時間しかなかったデバイスの寿命を延ばすことである。^[17] 2010 年 11 月までに、Wang と彼のチームは、約 2 cm x 1.5 cm のアレイから 3 ボルトの電位と 300 ナノアンペアもの電流を生成できた。これは、1 年前に可能だった出力レベルの 100 倍である。^[18]

ウィンドベルトはショーン・フレインが発明したマイクロパワー技術です。本質的にはエオリアンハープですが、空力弾性フラッターによって生じる弦の動きを利用して、電気に変換できる物理的な振動を作り出します。回転する風力発電機に固有の損失を回避します。プロトタイプは時速16kmの風で40ミリワットを生成しました。振動膜上の磁石が固定コイルに電流を発生させます。^{[19] [20]}

カリフォルニア大学バークレー校のリウェイ・リン教授と彼のチームの研究によると、衣服に埋め込まれた圧電ナノファイバーは、着用者の体の動きから、 iPodや戦場で兵士が使用する電子機器などの小型電子機器に電力を供給するのに十分な電気を生成できる可能性がある。100万本のこの繊維は iPod に電力を供給でき、その大きさは砂粒ほどになる。スタンフォード大学の研究者は、このような技術で生成された電力を蓄えるために使用できる布地製のバッテリー「eTextiles」を開発している。^[21]

熱共振器技術により、熱電発電に必要な瞬間的な温度差や太陽光発電に必要な太陽光がない場合でも、日々の温度変化から発電が可能になる。周囲温度が数度変化すると固体から液体に変化できるオクタデカンなどの相変化材料が選択される。MITの化学工学教授マイケル・ストラノと他の7人が作成した小型のデモ装置では、1日10度の摂氏変化で350ミリボルトと1.3ミリワットが生成された。想定される電力レベルは、センサーや通信機器に電力を供給できるレベルである。^{[22] [23]}

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