カテゴリー: 地域社会における持続可能な技術

太陽光発電 (PV) 太陽エネルギーは、効率的で再生可能なエネルギー源です。PV システムは、結晶シリコンまたは薄膜 (さらに多くの材料が開発されています) を使用して、大気汚染や有害廃棄物を生成することなく太陽光を電気に変換します。しかし、化石燃料火力発電所は電気以上のものを生み出します。たとえば、1999 年には、およそ 22 億トン (19 億トン) の二酸化炭素、1,200 万トン (1,000 万トン) の二酸化硫黄、および 700 万トン (630 万トン) の窒素酸化物が副作用で発生しました。化石燃料で発電された電気。

太陽光発電システムは柔軟で、携帯電話、カメラ、一戸建て住宅の低需要から都市や町の高需要まで、幅広い電力ニーズに対応します。太陽光発電システムを設置して自宅に電力を供給すると、数千ドルかかります (必要な電力レベルによってはそれ以下) [出典: ]。太陽光発電会社は、業界目標の 1 ワットあたり 1 ドルを達成したのはつい最近です (1,000 ワットを 1 時間使用すると、これは 1 キロワット時に相当します)。

太陽光発電システムの設置は確かに多額の投資ですが、経済的にも環境的にも、それだけの価値はあります。ただし、システムを最高の状態に保ち、最高レベルのパフォーマンスを維持するためです。ソーラーパネルは、窓と同じように、時々きちんとこする必要があります。

ソーラーパネルの清掃の重要性

木の葉、鳥の糞、浮遊粒子（土や花粉から）はすべて、投資したソーラー パネルを汚します。パネルが汚れると電力損失が発生します。汚れや破片により、太陽電池アレイが最大能力で動作する能力が低下します。太陽電池アレイは、互いに配線された複数の太陽電池モジュールで構成されており、各太陽電池モジュールは、フレーム内にすべてまとめて取り付けられた太陽電池で構成されています。太陽電池はシリコンなどの半導体材料で作られています。太陽電池の片面はプラス、もう一方はマイナスです。太陽光が太陽電池に当たると、半導体材料内の電子が励起され、このエネルギーが電気として捕捉されます。細胞が汚れていると、吸収できる太陽光が少なくなり、発電される電力も少なくなります。

潜在的なエネルギー損失は、ソーラーパネルに蓄積した汚れのレベルによって異なります。エネルギー損失は 25 パーセントに達する可能性がありますが、システムをまったく掃除しない消費者の場合、その数字は 30 パーセントに達するという報告もあります [出典: ]。

小規模な太陽光発電システムを所有する住宅所有者は、好みの洗浄方法としてエルボ グリースを選択する場合があります。ソーラーパネルは、窓と同様に、温水と食器用洗剤で汚れや残留物を取り除くことができます。洗浄すると、ガラス面とパネルの枠が洗浄されます。

ただし、汗の公平性にはマイナス面があり、ソーラーパネルを手動で清掃することにはリスクが伴う可能性があります。まず、あなた (または掃除をしている人) が人身傷害を負う危険があります。屋根の上に不安がある場合は、はしごに登る前に身の安全を考慮してください。また、石鹸と水はソーラーパネルを損傷することはありませんが、それでもソーラーパネルを損傷する危険性があり（掃除しているのは電気システムであることを忘れないでください）、何をしているのかを理解していないと屋根さえも損傷する可能性があります。専門家に任せるのが最善のものもあります。

では、大規模または産業規模の太陽光発電システムについてはどうでしょうか?ウィンドウウォッシャースタイルで場所を拡張するために、パネルウォッシャーのメンテナンススタッフを雇う必要がありますか?自動洗浄システムのオプションが常にあります。

ソーラーパネル洗浄剤

自動ソーラー パネル クリーニング システムは、ソーラー パネルを清潔に保ち、お金をポケットに入れておくことができます。パネルが汚れていると、発電量が減少することを覚えておいてください。

Heliotex 自動ソーラーパネル洗浄システムは、小規模住宅から超大型産業まで、あらゆる規模の太陽光発電システムを対象としています。これは特許出願中のシステムで、パネルを好きなだけ頻繁に洗浄 (石鹸と水) またはすすぎ (水のみ) に完全にプログラムできます。汚れやその他の破片の蓄積を最小限に抑えるために、パネルを 1 ～ 2 週間ごとに洗い、2 ～ 3 日ごとにすすぐことをお勧めします。

Heliotex 自動ソーラーパネル洗浄システムは、各パネル、屋外の水栓などの既存の給水源、およびプログラマブル コントローラー (110 ボルトの電源で動作) に接続された低容量スプレー ノズルを使用します。このシステムでは、特別に配合された生分解性石鹸濃縮物が使用されており、洗濯サイクル中に水ラインに混合されます。洗浄サイクルの後に 2 回目のすすぎが行われます。

100 キロワット以上の設備向けの産業用洗浄システムは、住宅用システムと同様に機能します。 SolarWash と呼ばれる OCS Energy の自動ソーラー パネル クリーニング システムも、各ソーラー パネルのアレイにノズルを直接取り付ける必要があります。これらのノズルはマイクロプロセッサによって実行され、パネルにスプレーして洗浄します。このシステムにはプログラマブル ロジック コントローラーと Web ベースのソフトウェア インターフェイスが搭載されており、PV システムのオペレーターはボタンを押すだけでパネル洗浄をスケジュールまたは開始できます。

自動洗浄システムは専門家の設置が必要ですが、設置後は、時折石鹸濃縮物を補充したり浄水フィルターを交換したりする以外、住宅所有者やオペレーターの注意はほとんど必要ありません。

1907 年に遡り、レオ ベークランドは、自然界には見られない分子で構成される初の真の合成プラスチックである新素材ベークライトを発明しました。それは驚くべき進歩でした。ベークライトは耐久性と耐熱性に優れ、ほぼあらゆる形状に成形できました。人々はそれを「何千もの用途に使える素材」と呼びました 。

それは控えめな表現であることが判明した。今日、プラスチックは現代の技術文明の基礎の 1 つであり、丈夫で柔軟性があり、耐久性があり、腐食に強く、無限に多用途であるように見えます。ただし、その普及にはマイナス面もあります。だからこそ、プラスチックの代替品を見つける価値があるのです。

今のところ、プラスチック製の物体は、スーパーで買う食品容器や牛乳や炭酸飲料のボトルから、キッチンのカウンタートップ、調理鍋の裏地に至るまで、私たちの周りのいたるところにあります。私たちはプラスチック繊維でできた服を着て、プラスチックの椅子に座り、プラスチック部品を含む自動車、電車、飛行機に乗ります。プラスチックは重要な建築材料となっており、断熱壁パネルから窓枠に至るまであらゆるものに使用されています。私たちは常にプラスチックの新しい用途を模索し続けています。

私たちのプラスチックへの依存には、ますます深刻なマイナス面もあります。なぜなら、私たちはプラスチックを大量に作り、大量に捨てているからです。 1950 年以来、世界中で生産された 91 億トン (83 億トン) のプラスチックのうち、69 億トン (63 億トン) が廃棄物となり、リサイクルされたのはわずか 9% です。残りは埋め立て地や世界中の海に行き着き、そこではプラスチック汚染が野生動物を荒らしたり、海岸に打ち上げられたりしています。廃棄物の約 40% は廃棄された包装材です 。

しかし、プラスチックに代わるより環境に優しい代替品が世の中にあるため、これを解決する方法があります。ここではそのうちの 10 個を紹介します。

10: ガラス

昔々、母親も牛乳配達人もガラス瓶に牛乳を入れていました。さて、キッチンを見回してみると、水筒、ソーダボトル、食品保存容器など、多くのプラスチックが目に入るでしょう。時代は変わりました。

時には過去に戻ることも良いことです。多くの場合 化石燃料から得られるプラスチックとは異なり、ガラスは砂から作られます。この再生可能な資源には、食べ物や体に浸出する可能性のある化学物質は含まれていません。また、ボトルをリサイクル箱に捨てて新しいボトルに変えたり、残り物を保存するためにガラス瓶を再利用したりすることで、簡単にリサイクルできます。確かにガラスは落とすと割れるかもしれませんが、電子レンジでは溶けません。

ガラスのボトルや瓶は 100% リサイクル可能である可能性があり、その中のガラスは品質や純度を損なうことなく無限に再利用できます。新しいガラスを製造する際の原料としてリサイクルガラスを使用すると、炉で必要なエネルギーが少なくて済むため、ガラスメーカーはリサイクルガラスを歓迎します。容器メーカーとグラスファイバー業界（リサイクルガラスも使用）は合わせて年間 335 万トン（303 万トン）のリサイクルガラスを購入しています 。

しかし、ガラスのリサイクルに関しては、もっとうまくできるはずです。最も最近の年である 2015 年には、アメリカ人が使用したガラス容器の 26.4 パーセントのみをリサイクルしました。

9: 繰り返し使えるショッピングバッグ

使い捨てビニール袋が初めて登場したとき、紙かプラスチックかの選択肢がありました。今ではほとんどプラスチック製になっています。そして、チェックアウト時にそれほど警戒心が強くない人であれば、商品ごとに袋を抱えて家に帰ることになるでしょう。

実際、すぐにプラスチックに放り込まずに購入するのは困難です。ビニール袋がどこにでもあるように見えるのも不思議ではありません。米国は 2015 年に驚くべきことに 413 万トン (375 万トン) のビニール袋を生産しましたが、そのうちリサイクルされたのは 53 万トン (48 万 1,000 トン) のみでした 。残りは最終的に都市や町でゴミとして捨てられ、あまりにも多くが海にたどり着き、毎年何百万ものウミガメ、鳥、海洋哺乳類を殺します。しかし、それらの食料品を何らかの方法で家に持ち帰らなければなりません。それで、あなたは何をしますか？まずは、再利用可能な買い物袋から。

模様をあしらったり、銀行、ジム、フローズン ヨーグルト ショップの名前をプリントしたりすることもできます。誰もがそれを手渡しますが、キャンバス、プラスチック繊維を織ったもの、麻、綿、さらには革製のものもあります。ナイロン製のものは、折りたたむとポケットに収まるほど小さなポーチになります。実際には、食料品を運ぶためのものかどうかに関係なく、どんなタイプのバッグでも大丈夫です。

おまけ: ビニール袋を避けることで、食器棚にビニール袋が溜まることがなく、捨てるときにどこに行くかを心配する必要もありません。

8: プラスチック添加剤

プラスチック代替品の開発に忙しい人がいる一方で、従来の熱可塑性プラスチックを生分解性にすることに熱心に取り組んでいる人もいます。どうやって？プロデグラダント濃縮物 (PDC) と呼ばれる添加剤を投入することによって。 PDC は通常、ステアリン酸コバルトやステアリン酸マンガンなどの金属化合物です。これらは、プラスチックを脆い低分子量の破片に分解する酸化プロセスを促進します。微生物は破片が崩壊するときにそれを飲み込み、二酸化炭素、水、そしてバイオマスに変わります。報告によると、有害な残留物は含まれていません。

添加剤技術を検索すると、TDPA (Totally Degradable Plastic Additives の頭字語) または MasterBatch Pellets (MBP) という商品名に出会うでしょう。これらは、薄いプラスチック ショッピング バッグ、紙おむつ、ゴミ袋、埋立地カバー、食品容器 (ファストフード容器を含む) などの使い捨てプラスチックの製造に使用されます。

ポリエチレン (標準的なビニール袋素材) に 3% のレベルで添加すると、PDC はほぼ完全に分解を促進する可能性があります。プラスチックの 95% は 4 週間以内にバクテリアに優しい破片になります 。 PDC 含有ポリマーは、厳密には生分解性ではありませんが (「生分解性」という方が近いです)、何百年も埋め立て地に放置されている純粋なポリマーに比べて環境に優しいです。

7: ミルクプロテイン

生まれたばかりの哺乳類はすべてその上で生存します。それがなければアイスクリームは存在しません。 牛乳の価値、あるいは喜びを否定することはできません。

現在、科学者たちは、家具のクッション、断熱材、包装、その他の製品用の生分解性プラスチックの製造に役立つ可能性があると述べています。そう、研究者たちは、牛乳に含まれる主要なタンパク質であるカゼインを、ポリスチレンの剛性と圧縮性に匹敵する生分解性材料に変換するというアイデアを再活性化させているのです。

カゼインベースのプラスチックは 1880 年代から存在しており、フランスの化学者がカゼインをホルムアルデヒドで処理して、象牙やべっ甲の代替となる材料を製造しました。しかし、カゼインベースのプラスチックは、メアリー女王も賞賛したジュエリーには理想的ではありますが、装飾以上のものには脆すぎるのです。

科学者たちは、モンモリロナイトナトリウムと呼ばれるケイ酸塩粘土のおかげで、タンパク質が割れにくくなる方法を発見しました。ナトリウム モンモリロナイトをエアロゲルと呼ばれるスポンジ状の材料に凍結させ、粘土の多孔質ネットワークにカゼイン プラスチックを注入しました。結果？ポリスチレンタイプの材料で、ゴミ捨て環境に置かれると完全に分解し始めます 。現代の牛乳ベースのプラスチックは、そのケイ酸塩骨格のおかげで簡単には割れません。さらに、製造過程でホルムアルデヒドの代わりにグリセルアルデヒドを使用することで、プラスチックの毒性を低くしました。

カゼインプラスチックの将来は確かではありませんが、それを石油ベースのポリスチレンに置き換えることで、私たちが牛乳を愛する新たな理由が生まれることは間違いありません。

6: ブドウの廃棄物

ワイン製造業界では、大量のブドウ廃棄物が発生します。基本的には、ブドウを圧搾して果汁を抽出し、発酵させてワインにした後に残る固形物質です。 （これはブドウの重量の約25パーセントに相当します）。

しかし、イタリアの企業 Vegea は、 ブドウの廃棄物を利用して、ビニール製の模造皮革に代わる合成皮革を製造したり、衣類用の生地を製造したりしている。 Vegea は現在、ブドウ廃棄物を衣料品店に販売するためのアパレル商品を製造するための生産能力を拡大しており、ブドウ廃棄物をワードローブに加えられるようになりました 。

5: リキッドウッド

次は、液体木材と呼ばれる、有望なバイオプラスチック、またはバイオポリマーです。生体高分子はそれを偽造します。これらの材料は、見た目、感触、動作はプラスチックとまったく同じですが、石油ベースのプラスチックとは異なり、生分解性です。この特定のバイオポリマーは、再生可能な資源であるパルプベースのリグニンから得られます。

メーカーは、製紙工場の副産物であるリグニンを水と混合し、その混合物を深刻な熱と圧力にさらして、強度があり毒性のない成形可能な複合材料を作成します。ドイツの研究者は、このプラスチック代替品をおもちゃ、ゴルフティー、さらにはハイファイスピーカーボックスなどのさまざまなアイテムに組み込んでいます。

2018年、米国エネルギー省国立再生可能エネルギー研究所の研究者クリストファー・ジョンソンは、リグニンをナイロンだけでなくプラスチックの代替材料に変換する有望なプロセスを開発した。

木製なので木材としてリサイクルも可能です。

4: PCL ポリエステル

このリストの次の 3 つのエントリはすべて、脂肪族ポリエステルと呼ばれる生分解性プラスチックです。全体として、ウォーターボトルの製造に一般的に使用されるポリエチレンテレフタレート(PET) などの芳香族ポリエステルほど多用途ではありません。しかし、芳香族ポリエステルは微生物の分解に対して完全に耐性があるため、脂肪族ポリエステルの実行可能な代替品を見つけるために多くの時間と労力が費やされています。

合成脂肪族ポリエステルであるポリカプロラクトン (PCL) を例に挙げます。これは再生可能資源から作られたものではありませんが、6 週間堆肥化すると完全に分解します。加工は簡単ですが、製造コストの関係であまり大量に使用されていません。ただし、PCL とコーンスターチをブレンドするとコストが削減されます。

生体医療機器や縫合糸はすでにこのゆっくりと分解するポリマーで作られており、組織工学の研究者もそれを研究しています。トレイなどの食品と接触する製品にも応用できます。

3: PHA ポリエステル

「天然に生産されたポリエステル」というと、マーケティング キャンペーンから引用したフレーズのように聞こえるかもしれませんが、特定の種類のバクテリアに砂糖を与えれば、プラスチックの生産ラインが完成します。

これは、ポリヒドロキシアルカノエート (PHA) ポリエステルの場合に当てはまります。その 2 つの主成分は、ポリヒドロキシブトレート (PHB) とポリヒドロキシ吉草酸 (PHV) です。これらの生分解性プラスチックは、人造のポリプロピレンによく似ています。これらは石油ベースのプラスチックよりも柔軟性に劣りますが、包装、プラスチック フィルム、射出成形ボトルなどに使用されています。

生産コストのせいで、PHA は主に安価な石油ベースのプラスチックの影に隠れてきましたが、安価な原材料の調達に少し工夫をすれば、近いうちに PHA がトップの選択肢になるかもしれません。トウモロコシの浸漬液、糖蜜、さらには活性汚泥はすべて、細菌がプラスチックを生成するために必要な糖分を供給する可能性があります。

PHA は堆肥化によって生分解されます。 PHB/PHV 複合物 (重量比で PHB 92 部/PHV 8 部) は、生物処理プラントの主力である嫌気性消化汚泥によって培養後 20 日以内にほぼ完全に分解されます 。

PHA はすでに、食品、飲料、さまざまな消費者製品の使い捨てパッケージを含むさまざまな製品に使用されています。また、縫合糸などの医療用途や、干し草の俵を保​​管するために使用される農業用ホイルの製造にも使用されています 。

2: PLA ポリエステル

加工されたトウモロコシからプラスチックを生産することは夢物語のように思えるかもしれませんが、それは毎日起こっています。ポリ乳酸 (PLA) も脂肪族ポリエステルの 1 つで、トウモロコシの湿式粉砕中にデンプン発酵によって生成される乳酸から製造できます。 PLA はトウモロコシから生成されることが多いですが、小麦やサトウキビからも生成されます。

PLA は、プラスチック フィルム、梱包材、ボトルに使用されるポリエチレンと見た目や機能が似ており、発泡食品の皿や容器、プラスチック カトラリーに使用される ポリスチレンの代替品としても使用できます。しかし、従来の石油ベースのプラスチックとは異なり、PLA にはいくつかの大きな利点があります。まず、成長するにつれて二酸化炭素を吸収する植物から作られているため、原材料からの二酸化炭素の純増加はありません。 2017 年の研究では、従来のプラスチックから PLA に切り替えると、米国の温室効果ガス排出量が 25 パーセント削減されることがわかりました 。

PLA には、適切な条件下ではすぐに生分解されるという利点があります。プラスチックが産業用堆肥化施設に送られ、そこで熱と微生物に継続的にさらされると、2、3 か月で劣化する可能性があります。ただし、埋め立て地に捨てられたとしても、従来のプラスチックよりも早く分解されるわけではありません 。

1: デンプンベースのポリマー

デンプンは、完全に生分解性、低コスト、再生可能な天然ポリマーとして、持続可能な材料の開発において多くの注目を集めています。しかし、プラスチックの代替となると、でんぷんではマスタードをカットできません。機械的特性が低いため、プラスチックが生成する頑丈な製品への用途は限られています。

生分解性プラスチック開発における最も注目されているトレンドの 1 つは、ポリマー複合材料の生分解性を高めることです。成功の度合いはさまざまですが、デンプンがおそらくそれに組み合わされているのでしょう。

通常、デンプンは、PLA や PCL などの脂肪族ポリエステル、およびポリビニル アルコールとブレンドされて、完全に生分解性のプラスチックが製造されます。でんぷんを添加すると、プラスチックの製造コストも削減されます。ただし、分解に重大な影響を与える前に、デンプン含有量が複合材料の 60 パーセントを超える必要があります。デンプン含有量が増加すると、ポリマーの生分解性が高まります 。ただし、でんぷんを追加するとプラスチックの特性にも影響することに注意してください。濡れた葉っぱをでんぷん袋にちょっと入れておくと、袋を取りに行くときにめちゃくちゃになってしまいます。

したがって、プラスチックをより環境に優しいものにするための特効薬はありませんが、古いアイデアの活性化とプラスチック技術の革命の組み合わせは、正しい方向への一歩となります。

エンジニアは問題を解決するのが仕事です。特定の結果を達成する方法を見つけるのが彼らの仕事です。問題には、ハリケーン級の風に耐えられる超高層ビルを建設する方法を見つけることが含まれるかもしれない。あるいは、人体の単一細胞に特定の用量の薬物を送達する方法を発見することかもしれません。

エンジニアは、現在直面している問題に対する解決策がすでに存在するかどうかを確認するために自然に目を向けることがよくあります。彼らはソリューションを認識するだけでなく、私たちがそれを活用できるように、そのソリューションを研究し、模倣し、強化することができなければなりません。このアプローチには特別な言葉があります: 。最終的に、エンジニアの創造物は生物学的実体の構造または機能を模倣します。

その結果は、畏敬の念を抱かせるものになる場合もあれば、人々が日常的に当然のことと考えるものになる場合もあります。しかし、エンジニアが自然界での物事の仕組みに細心の注意を払っていなかったら、基本的な発明でさえも不可能だったでしょう。自然が私たちが依存しているテクノロジーに影響を与えた 5 つの方法を順不同で見ていきます。

5: 人工知能の開発

人工知能は、何十年もの間使われてきた用語です。かつて、コンピューターは膨大な数を処理できる強力な機械に過ぎず、自分で考えることはできませんでした。コンピュータは明示的な指示にのみ従うことができます。

今日、エンジニアやコンピューター科学者は、計算から思考への飛躍を図ろうとしています。彼らはある程度の進歩を遂げた。 2008 年、科学者たちは BlueGene L スーパーコンピューターを使用してマウスの脳をシミュレートしました。単純そうに聞こえるかもしれませんが、脳は、たとえ仮想マウスに属しているものであっても、信じられないほど複雑です。実際、非常に複雑なので、強力なコンピュータではシミュレーションを 10 秒間でしか実行できません 。

2009 年、コーネル大学の研究者は、振り​​子の動きを分析することで基本的な運動法則を導き出すことができるコンピューター プログラムを作成しました。このプログラムは一連の測定を行い、遺伝的アルゴリズムを使用して物理学の基本法則を推定しました。

将来的には、複雑な工学的問題を解決できる機械が登場するかもしれません。コンピュータがさらに強力なマシンを設計する段階にまで到達するかもしれません。深く考えるにはどうですか？

4: がん細胞の侵入

がんやその他の病気を細胞ごとに治療する方法を研究しているエンジニア、コンピューター科学者、医師のチームがあります。彼らが取り組んでいるソリューションの 1 つは、ナノスケールでの配信テクノロジーの設計です。彼らは医療用ナノ粒子、つまり直径 100 ナノメートル未満の物体を構築しています。ナノメートルは 10 億分の 1 メートルです。実際、ナノスケールは非常に小さいため、光学顕微鏡を使ってもナノ粒子を観察することは不可能です。

このアイデアは洗練されています。がん細胞を見つけて浸潤し、必要な場所に正確に薬剤を届けることができる薬物送達粒子を作成します。医師らは、がん細胞だけを標的にすることで、副作用を最小限に抑えながら病気を根治したいと考えている。健康な細胞は影響を受けません。

これは思っているよりも難しいことです。しかし、これらのチームは、ナノ粒子を作成するために研究できる自然モデル、つまりウイルスを持っています。ウイルスの長さはわずか数ナノメートルで、複製する前に何らかの方法で特定の種類の細胞を探すことができます。医師たちは、この能力を模倣するナノ粒子を作成したいと考えています。

3: 壁にくっつく

太古の昔から、人間は何かを何かに貼り付ける理想的な方法を探してきました。古代には、洞窟住居のすきま風を少しでも軽減するために、マンモスの皮に大きなスパイクを打ち込む作業が行われていた可能性があります。最近のエンジニアは、バリのある植物やヤモリのような生き物にインスピレーションを求めています。

1941年に遡ると、スイスの技術者ジョルジュ・ド・メストラルは、衣服や愛犬の毛に引っかかったバリを拾っていました。彼はバリを顕微鏡の下に置いたところ、そこに小さなとげがあり、通り過ぎる生き物に付着できることに気づきました。エンジニアは素晴らしい計画を思いつきました。これらの小さな返しを固定装置として使用する材料を作成するというものです。その素材は現在ベルクロと呼ばれるものです 。

次に、Gecko Tape という、ナノスケールの毛を使って薄い表面に張り付く素材があります。毛はヤモリの足にあるものを模倣しています。いつの日か、科学者たちはこの素材を使ってスーツ全体を作ることができるかもしれません。このスーツを着用すると、壁をよじ登ることができ、おそらく天井を歩いて渡ることもできるだろう。近いうちに、私たちは友好的な近所のスパイダーマンに電話をかけることができるかもしれません。

2: 自律的にナビゲートする

将来的にはロボットも登場するでしょう。彼らが私たちのあらゆるニーズに応えるのか、それとも群れで私たちを追い詰めるのか。それはまだ分からない。いずれにせよ、ロボットが真の可能性を発揮するために必要な機能の 1 つは自律ナビゲーションです。

ほとんどのロボットは、事前にプログラムされたルートを必要とするか、障害物に遭遇するたびに単純に環境に反応します。ある地点から別の地点まで自力で移動できる人はほとんどいません。技術者の中には、アリを研究することでこの問題を克服しようとしている人もいます。

カタグリフィスはサハラ砂漠で見られるアリです。他のアリとは異なり、カタグリフィスは環境内を移動するためにフェロモンの痕跡に依存しません。科学者たちは、アリは視覚的な操縦、経路統合、体系的な探索を組み合わせて使用​​していると考えています 。技術者らは、カタグリフィスのような生き物がどのように移動するかをより深く理解することで、同様の機能を備えたロボットを構築できると期待している。

1: 飛び立つ

2000年、ウォルト・ディズニー・ピクチャーズは「ファンタジア」の新編集版を公開した。更新された映画にはいくつかの新しいシーケンスが含まれており、そのうちの 1 つは、オットリーノ・レスピーギの「ローマの松」の系統に向かって飛び立つザトウクジラの群れをフィーチャーしていました。ザトウクジラが空に飛び立つ様子を見ることはできそうにありませんが、この空想的なシーケンスは実際の科学的発見を予感させました。

2004 年 5 月、科学者とエンジニアのグループが科学論文を Physics of Fluids ジャーナルに発表しました。研究チームはザトウクジラの胸びれのモデルを構築していた。あるモデルには、実際のクジラの足ひれに見られる隆起である結節が含まれていました。別のモデルでは、滑らかな表面が使用されていました。

彼らは両方のモデルを海軍兵学校の風洞でテストしました。彼らのテストでは、結節を備えた足ひれでは揚力が 8% 改善されたことがわかりました。さらに、フリッパーは急な風角で失速する可能性が低くなり、空気抵抗が最大 32% 減少しました。

でこぼこした翼を持つ飛行機がすぐに見られるでしょうか?それは十分に可能です。研究チームの発見は、自然が流体環境を移動するための効率的な装置を作り出したことを示唆している。これらの発見を活用しないのは愚かかもしれません。

人類の歴史を通して、自然がどのように技術開発を導いてきたのかを示す例は他にも何百もあります。したがって、次回複雑な技術的問題を解決する必要があるときは、まず自分の裏庭を見てみるとよいでしょう。

次のページでテクノロジーと自然について詳しく学びましょう。

あなたの服が何色であっても、そのように作るプロセスはおそらくかなり有害です。国連環境総会によると、繊維の染色は です。また、生地の染色には有害な化学物質がたくさん含まれているだけでなく、水も高価です。平均的なジーンズの染色には最大 26 ガロン (100 リットル) の水が必要です。ファストファッション全盛の昨今、流行の服への渇望が私たちを、そして世界中の他の多くの生物や生態系を死なせているかもしれません。

ジョージア大学の科学者によると、デニム産業だけでも年間45,000トン（40,823トン）以上の合成インディゴ、84,000トン（76,203トン）以上のハイドロ亜硫酸ナトリウム、そして53,000トン（48,080トン）以上の灰汁を生産している。これは大きな環境問題を引き起こします。しかし、ジョージア大学の研究チームは、使用する水の一部を使用しながら、デニムの染色プロセスから有害な化学物質を排除する、有毒なデニム染色の解決策を考案しました。

ブルーに対するグリーン ソリューション

グリーンケミストリー誌の2021年7月27日号に掲載された新しいデニム染色法は、木材パルプから作られたセルロースナノ粒子（砂糖と呼ばれる）と天然インディゴ染料を混合するものだ（ただし、研究者らは合成染料も使用できると考えている）。この混合物は一種のゲルを生成し、濃い色合いを生み出すために最大 8 回の染料の適用を必要とする従来の染色プロセスの複数回の浸漬プロセスと比較して、布地に 1 回適用して濃いインディゴの色を得ることができます。

キトサンは基本的に、生地が乾燥した後に顔料を所定の位置に接着し、デニムの繊維をコーティングする一種の染料マトリックスを作成します。この工程ではインディゴ染料を溶かす必要がないため、従来の染色方法で使用する水の量を約96パーセント削減できます。

それだけでなく、このプロセスは毒性がなく、キトサン染料の乾燥時間が短縮され、新しい技術により伝統的に染色されたデニムと同じ重さ、厚さ、全体的な感触の生地が得られます。

デニム染色の危険性

1700 年代には、歴史的にデニムの象徴的な青色を作った植物であるインディゴがアメリカ植民地の主要輸出品でした。しかし最近では、ブルー ジーンズを合成インディゴ顔料で染めているため、ジーンズが 15 ドルで購入できます。しかし、インディゴが天然か合成かに関係なく、デニムを顔料で染めるプロセスでは、染料を水に溶かすための強力な還元剤が必要です。

「繊維を染色する商業技術では、強力な化学薬品が使用されています」と、この研究の共著者であり、同大学の教授である同氏は言う。 「デニムの場合、ハイドロ亜硫酸ナトリウムと呼ばれる強力で有毒な還元剤が使用されます。デニムを可溶化するために、この還元剤の一部が反復プロセスの各段階で使用されます。デニムの品質を維持したい場合は、5 回から 10 回の範囲で使用されます。」強烈な日陰。」

有毒な還元剤の使用とは別に、デニムの色素沈着には大量の水を使用します。綿花の栽培、生地の染色、パンツの製造に必要な水を考慮すると、ジーンズ 1 本に最大 (7,570 リットル) が必要になります。それだけでなく、デニムの染色に含まれる化学物質の多くは環境中で分解されません。川や小川に流れる前に水から有毒化学物質をろ過する技術は存在しますが、衣料品生産が行われている世界の多くの場所、たとえば中国やバングラデシュでは、化学物質を除去するインフラを必要としません。水路を汚染し、野生動物、人々、農作物に中毒を引き起こす前に、水から除去します。

「彼らが繊維を染色する一部の環境では、あらゆるものが人工的にさまざまな色合いに着色されています。もちろん、大きな被害は染料そのものによるものではなく、生態系において非常に攻撃的な可能性がある高い塩濃度やこれらの還元剤によるものです」 。」

重要なポイント

毎年、米国の埋め立て地では数百億トンのプラスチックが処理されています。そしてこの場合、「ハンドル」とは「何もしない」という意味です。プラスチックは何百年も動じることなくそこに置かれているだけです。他のゴミを分解する微生物はプラスチックとは関わりたくないのです。

プラスチックだらけの埋め立て地という環境の悪夢は、プラスチックから紙製の買い物袋への移行を引き起こし、調理済み食品や日本限定のトヨタ ラウムなどの製品には、プラスチックの代わりに段ボールが使用されるようになった。プラスチック」コンポーネント。 。

エコプラスチックというと矛盾しているように思えますが、実際はそうかもしれません。しかし、それは私たちの生活を環境に優しいものにする次のステップでもあるようです。

エコプラスチックにはさまざまな形があります。一部または全部が従来のプラスチックをリサイクルして作られた単純なプラスチックもあります。従来の石油ベースのプラスチックは、何世紀にもわたって埋め立て地に放置されている種類のものです。これらの「エコプラスチック」は、リサイクルされていない種類のものよりも生分解性が高いわけではありませんが、そもそも、多くの非生分解性のものを埋立地から守るという環境上の利点があります。

しかし、人々が環境に優しいプラスチックについて話すとき、多くの場合、まったく異なる動物である「バイオプラスチック」について話します。バイオプラスチックは化石燃料ではなく生物材料から作られており、従来のプラスチックとは大きく異なる特性を持つとされています。また、合成材料で作られたプラスチックのかなり新しいサブグループもあり、埋め立て地では通常のものとは異なる反応を示す可能性があります。

この記事では、これらのエコプラスチックが実際には何なのか、何に使用されているのか、そして環境にどのように役立つのか（またはそうでないのか）を見ていきます。

エコプラスチックとは何なのかを理解するには、製品の目的を理解することが役立ちます。リサイクルされた従来型プラスチックを除いて、エコプラスチックは、何よりもまず、通常の埋め立て条件下では分解するはずです。しかし、大きな疑問は、それが可能なのかということです。

エコプラスチックの種類

私たちのほとんどは、プラスチックが環境に悪影響を与えるものであることを何年も前から理解しています。それは燃料をベースにしており、生産するには多量のエネルギーを必要とし、永久に埋め立て地を詰まらせることになる。私たちが罪悪感なく購入できるプラスチックを想像するのは困難です。そして、エコプラスチックがその要件に適合するかどうかは、あなたがどの程度「環境に優しい」ことを望むかによって決まります。

エコプラスチックには、再生石油ベースのプラスチック、植物由来（バイオ）プラスチック、その他のさまざまな種類があります。それぞれが異なる「グリーン」特性を誇っています。

リサイクルされた従来のプラスチックは、さまざまな割合の「バージン」（リサイクルされていない）従来のプラスチックで構成されています。ここでのエコの魅力は、未使用のプラスチックが埋め立て地に捨てられるのではなく、芝生用家具を作るために再利用されることです。ただし、このタイプは元のものほど生分解性はありません。

バイオプラスチックは植物材料から作られており、埋め立て地や場合によっては堆肥箱内で比較的早く分解されるはずです。最も一般的な形態は、最も一般的な形態であるポリアクチド (PLA) プラスチックのような、デンプンベース (多くの場合、コーンスターチ) です。 PLA は生分解性の食品サービス用トレイや使い捨てカップなどに含まれています。ポリヒドロキシアルカノエート (PHA) プラスチックにも、通常はトウモロコシ、サトウキビ、ビートルートからのデンプンが使用されており、化粧品のボトルなどに使用されています。セルロースベースのプラスチックは、植物組織の主成分であるセルロースから作られています。大豆タンパク質や乳酸から作られたバイオプラスチックも見つかります。

最後に、「その他」のカテゴリーを構成する最近のプラスチックの革新がいくつかあります。 ECM Biofilms は、従来のプラスチックの製造プロセス中に微生物を誘引するペレットを追加する方法を考案し、最終製品が埋め立て地でより早く分解されるようにしました。

これらのエコプラスチックはすべて、従来のプラスチックに比べて何らかの環境上の利点を提供しますが、問題は最終的には理論と実践に帰着します。理論的には、これらのプラスチックは生分解性です。しかし、少なくとも産業的にはかなり新しいものであるため、長期的な研究が少し不足しています。

プラスチックは環境に優しいものになれるでしょうか?

現在まで、エコプラスチックの生分解性に関する研究の中で最も多く行われているのは、バイオプラスチック、特に最も一般的なでんぷんベースの種類である PLA に関するものです。私たちが知っていることは次のとおりです。

実際、PLA は生分解性ですが、容易に生分解されるわけではありません。

壊れるまでは石油由来のプラスチックと同じくらいのスペースを占めることになることはわかっています。バイオプラスチック容器には通常、従来のプラスチック容器と少なくとも同量の材料が含まれています。

固形廃棄物の量と生分解の傾向に加えて、エコプラスチックを取り巻くもう一つの大きな問題はエネルギー消費です。 「グリーン」プラスチック容器の製造は、石油ベースの容器の製造よりもエネルギーの使用量が少ないのでしょうか?それについては陪審はまだ結論が出ていない。でんぷんベースの材料をカップの形に成形するのは、化石燃料ベースの材料をカップの形に成形するのと同じくらい手間がかかるため、使用量はほぼ同じだと言う人もいます。ただし、ここで覚えておくべき点は、エコプラスチック事業に携わる企業は「グリーン」市場を目指しているため、代替エネルギーまたは低エネルギープロセスを採用する可能性が高いということです。例えば、バイオプラスチック企業 Ingeo は、温室効果ガス排出量を 60% 削減し、全体のエネルギー必要量を 30% 削減する新しい製造プロセスを導入しました 。同社によると、Ingeo バイオプラスチックの製造により、一般的な石油ベースのプラスチックを製造するよりも CO ₂排出量が 77% 削減されました。

バイオプラスチックの決定的な環境上のマイナス面の 1 つは土地利用です。トウモロコシ、サトウキビ、ビートルートなどを栽培するには、食用やエタノール用の作物を栽培するために使用できるはずの多くの農地が必要になります。その一方で、プラスチックを手に入れなければならないのであれば、犠牲を払う価値があるかもしれません。食品会社コンアグラが、パーケイやフライシュマンズなどの一部の製品のシュリンクラップを石油ベースのプラスチックから PLA プラスチックに切り替えたときです。マーガリンを使用すると、CO ₂排出量が 50 万ポンド削減されると推定されています 。彼らが浴槽もバイオプラスチックで作り始めたらどうなるかを想像してみてください。

重要なポイント

オハイオ州で停電が始まり、ミシガン州で交通が混乱し、カナダで照明が遮断され、そして眠らない街、ニューヨーク市に暗闇がもたらされました。 2003 年の北東部大停電が終わるまでに、この地域は約 60 億ドルの損失を被りました。

このような大規模な停電、つまり異常事態は何が原因だと思いますか?誰かがグリッドを破壊したのでしょうか?地震がありましたか?いいえ、邪悪な計画や自然災害はありませんでした。ほんの少しの標準的な問題があっただけです。米国の送電網は通常通り稼働していましたが、コンピュータの故障や厄介な木の影響もあり、さらに不具合が発生し、なんと約 5,000 万人が停電しました。

米国エネルギー省でエネルギー貯蔵研究プログラムを管理するイムレ・ギュク氏によると、電力網にエネルギーを貯蔵することで、2003年の大規模停電のような大規模停電を回避できるという。エネルギーは、発電所、送電線沿い、変電所、および顧客に近い場所のユニットに貯蔵される可能性があります。そうすれば、ちょっとした災害が起きたときに、蓄えられたエネルギーを使って沿線のどこにでも電力を供給できるようになります。

大規模なプロジェクトのように聞こえますが、実際その通りです。しかし、多くの顧客に適切にサービスを提供しているほぼすべてのシステムは、予備を保持しています。考えてみてください。銀行は準備金を保管しています。ターゲットやウォルマートのような超大型店は予備を保管しています。マクドナルドは食料庫や冷凍庫を常備していなければ、数十億人にサービスを提供できたでしょうか?米国の送電網は予備ではなくスクランブル方式で運用されているため、トラブルが起こりやすいようになっています。次のページでその意味をご覧ください。

平常時における系統エネルギー貯蔵の重要性

通常の日であれば、電力会社は翌日にどれくらいの電力を発電するかを計画します。彼らは、主に前年同日の使用履歴記録を読み取ることで、顧客の行動を予測しようとします。次に、それらの数値を翌日の現在の天気予報に合わせて調整します。

サンディア国立研究所でエネルギー貯蔵プログラムを管理するジョン・ボーイズ氏は、「ある瞬間の電力需要を正確に予測することは不可能だ」と語る。このシナリオでは、電力会社は、顧客が使用する電力より多いか少ない電力を生産するように設定されます。この不一致により、交流周波数の変動などのリップルがグリッドに発生し、これを制御しないと電子機器に損傷を与える可能性があります。地域の電力管理者、つまり独立系運用事業者（ISO）が急襲し、一部の発電所に発電量の変更を要請することで差を縮めようとしている。しかし、原子力発電所や化石燃料工場はそれをすぐには実現できません。その遅さは電力の供給と需要の間の不一致を悪化させます。

さて、ロサンゼルスのうだるような日に街中の人々がエアコンを稼働させたときに何が起こるかを考えてみましょう。これは、最も多くの顧客が最も多くの電力を使用するピーク需要状態であり、これは毎年 5 ～ 10 日に数時間発生します。この日には、ピーカープラントとして知られる施設が稼働します。これらの高価な化石燃料プラントは一年中稼働していないため、大規模な石炭火力発電所よりも多くの大気汚染を引き起こす可能性があります。 「ロサンゼルスのような[スモッグ]都市ではやりたくありませんが、それでもやります」とイムレ・ギュクは言う。ピーカープラントの生産量が不足した場合、電力会社はアルミニウム精錬所などの大口顧客に電力使用量削減の対価を支払う。 「何も機能しなければ、停電や計画停電が発生します」とギュク氏は言います。

一方、古い変電所には過負荷がかかっています。処理できる電流を超えた電流が流れ、金属構造が発熱します。 「それは推奨される行為ではありません」とボーイズ氏は言う。

電力網が強調されているように聞こえる場合は、まだ何も見えていません。続きを読んでください。

非日常的な日における系統エネルギー貯蔵の重要性

もしかしたら、それは平凡な日ではないのかもしれない。電線に木が倒れたり、落雷したりするかもしれません。こうした混乱により、送電線の電圧が意図した値から外れてしまいます。電圧の変化によりコンピュータがリセットされます。今、目覚まし時計が12時に点滅しています。さらに悪いことに、「すべての自動化された製造プロセスでは、コンピューターがリセットされるとプロセスが停止します。プラスチックの製造業者で、機械が冷えると、機械の中でプラスチックが固まってしまいます」とボーイズ氏は言います。

そして、一日の出来事が電力会社の補償努力を超えたらどうなるでしょうか?はい、ご想像のとおり、停電に直面しています。それは確かに2003年に北東部全域で起こりました。

送電網はすでに混乱しているため、風力や太陽光などの再生可能エネルギーは断続的な電源であるため、さらに追加することを想像するのは困難です。顧客の状況は予測不可能であることは承知していますが、電力も同様です。風力発電が予期せず停止すると、風力発電所は数分で 1,000 メガワットを失う可能性があるため、顧客のために電力を迅速に購入して輸入する必要があります。

その場合の代替案は、ピーカー方式の化石燃料プラントを使用することですが、これではクリーンな電気に大気汚染が加わります。あるいは、自然が支配することもできます。テキサス州の風力発電所では、需要が低い間はほぼ夜間のみ風が吹くため、電力価格はマイナスになります。 「つまり、電力を供給するには送電網に料金を支払わなければならないということです」とギュク氏は言う。 「家を冷やすために一晩中エアコンをつけている人に話を聞きました。無料で使えるからです。すると窓を閉めてしまいます。」

ギュク氏によると、これらの問題は、電子機器や電気の使用量が増えるほど悪化するという。では、これらの問題に対する答えは何でしょうか?グリッドエネルギー貯蔵。

このトピックに入る前に、エネルギーを貯蔵するということが何を意味するのかを理解することが重要です。送電網の仕事は、すべての顧客に 120 ボルト、60 ヘルツの電力を供給することです。これは、グリッドに電流を追加またはグリッドから電流を削除することによって実現されます。ストレージデバイスは、必要なときに正確に電流を追加または削除するのに役立ちます。

エネルギー貯蔵がどのように送電網を強化できるかについては、読み続けてください。

グリッドエネルギー貯蔵の種類: 揚水水力発電

揚水発電所は、落下する水を利用して発電します。この例はテネシー州のラクーンマウンテンで見ることができます。山のふもとに、テネシー渓谷管理局 (TVA) がテネシー川の一部を吸い上げて湖を作りました。

顧客があまり電力を使用していないとき、TVA は他の発電所から山内の発電所に電力を転用します。電気が家のタービンを逆回転させ、湖水を山のトンネルを通って頂上まで押し上げます。 28 時間後、上部盆地は満杯になります。電気を作るために、TVA は上部の盆地に排水管を開けます。水は山の中心をまっすぐに流れ落ち、タービンを前方に回転させて電気を生成します。 22時間降下し、大規模な石炭火力発電所の出力に匹敵する1,600メガワットの電力を安定的に出力します。 TVA は、需要が多い日にこの電力を他の工場からの供給に加えます [出典: TVA]。

揚水水力発電所は世界中で稼働しており、需要のピーク時には 200 メガワットから 2,000 メガワットの電力を出力します [出典: ]。大気汚染を排出せず、一度充電すると 15 分でオンラインになり、ピーカープラントよりも速くて環境に優しいです。唯一の問題は、「適切なサイトが不足していることです」と Gyuk 氏は言います。

圧縮空気エネルギー貯蔵( CAES ) は、天然ガス発電所用の貯蔵です。通常、これらのプラントは天然ガスを燃焼して空気を加熱し、発電機のタービンを押します。天然ガスプラントが洞窟や古い鉱山などの地下穴の近くにある場合、CAES を使用できます。発電量が少ない日には、発電所で電気を作ってコンプレッサーを動かし、外気を圧縮して地下の穴に送り込むことができます。顧客が最大限の電力を必要とする日には、発電所は圧縮空気を通常の加熱された空気と一緒にタービンに押し出し、タービンを押し出すことができます。この圧縮空気は何時間も役立ち、需要のピーク時にはプラントの出力に 25 メガワットから 2,700 メガワットの電力を着実に追加します [出典: ]。

読み続けて、送電網上の他のどこにエネルギーを蓄えることができるかを学びましょう。

グリッドエネルギー貯蔵の種類: ホイール、プレート、ループ

今度は、大規模な電力を大量に、またはそれ以下の電力を長時間供給するストレージに注目するときが来ました。これらのシステムは、揚水水力発電や CAES のように、一日中大規模な電力を顧客に送ることはできません。

フライホイールは回転することでエネルギーを蓄えます。最も速いものは、モーター、浮上磁石、摩擦をなくすための真空装置、そして安全のためのシェルで構成されています。送電網に余剰電力があれば、モーターを作動させて磁石を回転させます。電力が必要な場合、状況に応じてフライホイールが数分から数時間で電力を供給します。

電力網では、フライホイールが高品質のコントローラーになります。彼らは周波数を安定させるのが得意ですが、前述したように、今日の米国では周波数が 60 ヘルツを超えたり下回ったりしています。電力会社が顧客の使用量よりも多くの電力を生産するとこの値は急上昇し、電力会社の発電量が少なくなると低下します。 ISO がフライホイールを直接制御できるため、フライホイールによって状況が変わります。最終的には自動になるため、発電所 A のジェーンに電話して、周波数の問題を解決するためにジェーンが発電量を上げたり下げたりするのを待つ必要がなくなります。速い応答性により、お客様が感じる前に周波数を平準化することができます。実際、いくつかの USISO がフライホイール パッドをテストしています。

フライホイールのもう 1 つの用途は、送電網の電圧を安定させることです。それらの頑丈な高圧線の電圧を変える可能性があるものは何でしょうか?停電、倒木、電車によるドミノ効果を試してみてください。地下鉄や路面電車がブレーキをかけると発電し、電圧が上昇し、局所的に電流が急増します。電車が加速して駅から出ると、電車は電気を引き込み、電圧が低下し、他の場所から電流を吸い込みます。フライホイールは電流を吸収および放出することができ、グリッドの残りの部分には影響を与えません。実際、ニューヨーク市の地下鉄でテストされています [出典: ]。

フライホイールは風力発電所にも最適で、突風時に余分な電力を回転させ、停止時に吐き出すことができるため、顧客は変動に悩まされません。

スーパーキャパシタは、フライホイールよりもさらに高速で、電荷を分離することでエネルギーを蓄積します。従来のコンデンサよりも多くのエネルギーを蓄えるため「スーパー」ですが、仕組みは同じです。余分な電気がある場合、それを使用して一部の金属板から他の金属板に電荷を押し出し、一部はプラスに帯電し、その他はマイナスに帯電したままになります。電気が必要になると、極板が中和され、電荷が流れて電流が発生します。マドリード、北京、その他の都市では、スーパーキャパシタでいっぱいのキャビネットが電車を緩衝しています [出典: ]。

超電導磁気エネルギー貯蔵装置 (SMES) は、送電網の電圧降下やスパイクを除去するもう 1 つの方法です。スパイク時にはワイヤのループが余分な電流を消費し、ディップ時にはループが電流をグリッドに戻します。ワイヤーには抵抗がほとんどないため、ほとんどロスなく電流が蓄えられます。

次は、私たちの多くが日常的に使用している蓄電システム、バッテリーです。

グリッドエネルギー貯蔵の種類: セル

バッテリーはグリッドのレゴセットのようなものです。多くの種類があり、積み重ねたり拡大したりしてより多くのエネルギーを蓄え、数秒から数時間電気を駆動することができます。長寿命の製品としては、バナジウムレド​​ックスや臭化亜鉛などのトレーラーサイズのフロー電池や、ナトリウム硫黄などの高温電池があります。これらは最大 20 メガワットの電力を数時間供給できます [出典: ]。電力のバーストに関しては、現在、鉛蓄電池が一般的に使用されています。その他の電池には、金属空気電池、リチウムイオン電池、ニッケルカドミウム電池、鉛炭素電池などがあります。すべてのバッテリーは、化学反応を通じてエネルギーを使用および放出します。

バッテリーは米国の電力網のいたるところにあり、通常は顧客側にあり、工場やおそらくオフィスのコンピューターは、停電中に電子機器を稼働させるために無停電電源装置またはUPS を使用します。

しかし、バッテリーは送電網の機能もバックアップします。ウェストバージニア州チャールストンでは、あまりにも多くの顧客が電流を引くたびに変電所が過熱していました。その後、American Electric Power は需要のピーク日に電力を供給するためにバッテリーを設置し、変電所の過熱は止まりました。アラスカ州民はアンカレッジとフェアバンクスの間の送電線に障害が発生するたびに停電に悩まされていたが、障害や修理の際に送電線をカバーするためにサッカー場ほどの大きさのバッテリーを設置した。

バッテリーは、風が夜にしか吹かず、顧客が日中にエネルギーを使用する場所の風力発電所にも役立ちます。

壁のコンセントに差し込んで充電するバッテリーを搭載したプラグインハイブリッド電気自動車（ PHEV）を商用電力として利用する日が来るという話もあります。家の配線が適切であれば、駐車した車で食器洗い機を動かすことができます。遠い将来、多くのガレージに接続された多くの車が、 Vehicle to GridまたはV2Gと呼ばれるアプリケーションで、グリッド上の必要な場所に電力を送ることができるようになります。しかし、壁のコンセントではバッテリーから電力を得ることができず、車は商用車ではないため、それは何年も先のことです。

これは実用的だと思いますか?すべての費用がどれくらいかかるかを確認するには、読み続けてください。

グリッドエネルギー貯蔵の経済性

「実際のコストを考えると、エネルギー貯蔵は決して安くはありません」と Imre Gyuk 氏は言います。

現在のコストがどのような状況にあるのかはわかりますが、グリッドに追加されるストレージが増えるにつれてコストは低下するでしょう。まずは発電所での貯蔵から始めましょう。先ほど学んだように、電力会社は需要の多い日に電力を供給するために発電所にエネルギーを貯蔵することがあります。発電所は一日中大電力を必要とし、それを供給できるのは圧縮空気と揚水水力発電だけです。圧縮空気システムに支払う 700 ドルごとに、電力会社は 1 キロワットの電力を 20 時間以上供給され、コーヒー メーカー 1 台を一日中稼働させるのに十分な量です。揚水発電のコストはさらに高く、1 キロワットあたり 2,250 ドルです。

数分から数時間持続する電力の場合、リチウムイオン電池のコストは 1 キロワット (またはコーヒーメーカー) あたり 1,100 ドル、フライホイールのコストは 1 キロワットあたり 1,250 ドル、フロー電池のコストは 1 キロワットあたり 2,500 ドル、ナトリウム硫黄のような高温電池のコストは 1 キロワットあたり 3,100 ドルです [出典] ：EAC]。そして、スーパーキャパシタでのストレージにはさらにコストがかかります。

しかし、Gyuk 氏によると、ストレージへの投資から多くの利益を得られるそうです。供給の悪夢を招くことなく、より多くの風力発電所や太陽光発電所を処理できる送電網を手に入れることができます。ピーカー植物の栽培が減り、二酸化炭素の排出と大気汚染が減ります。また、停電に対する保護も受けられますが、Gyuk によれば、電気代は 1 ドルあたり 33 セントかかります [出典: Gyuk 2008 ]。

電力会社と ISO は、ストレージの設置を決定した場合、費用を負担します。 「ストレージの価格は下がってきています。他の方法で問題を解決するための価格は上昇しています。間もなく、これらの価格は交差するでしょう」とボーイズ氏は指摘し、コストがグリッドへのストレージの追加に拍車をかける可能性があることを示唆しています。

消費者の電気料金は最終的に下がるのでしょうか？多分。十分な貯蔵量があれば、電力会社はより制御された方法で発電できるようになります。彼らは、送電線や変電所などの送電網内のハードウェアを、交換したり拡張したりするのではなく、より有効に活用するでしょう。

たとえ消費者の電気料金が上がったとしても、「私たちはより良いシステムを手に入れることができます」とギュク氏は言う。

太陽エネルギーは豊富で無限に再生可能です。したがって、太陽に依存するデバイスが急増するのは驚くべきことではありません。太陽光発電の庭灯から太陽光発電の住宅や企業に至るまで、多くの人が太陽が提供するエネルギーを利用できます。しかし、ソーラー式庭灯はそれほど魅力的ではないと考えているかもしれません (ただし、その背後にある科学は魅力的である可能性があります)。また、他にどんなものがあるのか​​と疑問に思っているかもしれません。ソーラー飛行機を信じますか?

ソーラー飛行機は 1970 年代から飛行していますが、あまりにも目新しいものに聞こえるほど、あまりにも目立たないところで飛行していたのかもしれません。ソーラー飛行機に乗れば、すばらしい旅ができるかもしれません。朝出発して雲が晴れるまで待たなければなりません。プロペラが羽音を立てながら、飛行機はあくびが出るほどのゆっくりとした速度で滑走路を進んでいきます。飛行機が風を受けると、座席に押し付けられることはほとんどないほどゆっくりと上昇していきます。

鳥の上、エベレストの上、民間ジェット機の上、軍用偵察機の上を登ることになります（NASA と AeroVironment の Helios は高度 29,524 メートルまで上昇しました）。氷の巻雲が広がる成層圏に定住することになるでしょう。

このような楽しいことがどんなに楽しく聞こえるかもしれませんが、ソーラー飛行機は他の用途のために設計されています。これらは基本的に低空飛行する衛星であるため、NASA は当初、通信プラットフォームとして都市上空に衛星を駐機させることを構想していましたが、それはまだ携帯電話の塔が多数設置される前のことでした。現在、軍は監視のためにソーラー飛行機に注目している。理論上、彼らは何年も空中に留まることができる。しかし、実際には、統計はまだそこまで到達していません。記録は、QinetiQ の無人「Zephyr」によって樹立された、着陸なしの 2 週間 (本当に!) です。しかし、有人航空機の記録はスイスの航空機ソーラー・インパルスの26時間10分19秒である。

このような記録を味方につけて、太陽光発電は弱く非効率であるという見方を変えたいと考えている組織もある。

おそらく、ソーラー飛行機がどのように機能するかを理解する最も簡単な方法は、空を飛んでいる一般的な飛行機と比較することです。ここでは、民間ジェット機 1 機 (ボーイングの 747-400) と軍用ジェット 1 機 (F-22A ラプター) を見ていきます。

空飛ぶソーラー飛行機

ソーラープレーンの飛行はチェックから始まります。バッテリーを確認してください — 充電されているはずです。地上の風を確認してください。時速約 10 マイル (時速 16 キロメートル) を超えないようにしてください。そうでないと、飛行機が滑走路に墜落する可能性があります。飛行機は乱流の層を通って上昇する必要があるため、空気の乱気流を確認してください。雲のうねりは悪い兆候です。 「風は敵だ」とデル・フラーテは言う。

太陽が頭上にあり、日中に十分な太陽光が残っている午前中が離陸に最適です。滑走路としては、サッカー場 3 つ分より少し長い円が必要になります。これは、平均的な空港の滑走路よりも 10 倍短いです。次に、その円を使用して、離陸のために飛行機の角度を設定します。風が正面から吹くように飛行機の向きを変えますが、決して横切ることはありません。横風は、飛行機を望まない方向に飛ばす可能性があるため、ほとんどのソーラープレーンに破壊をもたらします。

プロペラがオンラインになると、バッテリー電力と太陽エネルギーの組み合わせによってプロペラが回転し始め、飛行機は回転する (または手で空中に投げられる) 準備が整います。デル・フレート氏は、離陸は通常、太陽光発電で行われるため、「飛行機は自転車の速度で離陸します」と話す。パイロットとして、通常は地上で、影を避け、太陽が最大限に当たるように操縦して、バッテリーの電力を節約します。

飛行機はゆっくりと上昇していきます。中央のプロペラの速度を上げ、上に傾けることで上昇します。 35,000 フィート (10.6 キロメートル) ほどで、ジェット気流にぶつかります。持続する。この空の乱流の層では、NASA のヘリオスのような飛行機が、風によって平らな状態から劇的な「U」字型に曲がることがあります。飛行機が曲がらなかったら、風で引き裂かれる可能性があります。この飛行機は、747 型機が巡航するここにとどまることはできません。乱風で命を落とさなければ、ジェット気流で飛ばされてしまうからです。

ジェット気流の上で、ふわふわとした雲を避けてください。彼らは太陽を遮ります。方向転換は、飛行機の片側のプロペラの速度を上げるのと同じくらい簡単です。高度 40,000 フィート (12 キロメートル) までに、太陽を遮らない氷の巻雲が広がる静止した層である成層圏に入ります。最後に、65,000 フィート (20 キロメートル) まで到達すると、静寂の中でリラックスして、実質的に滑空できるようになります。一晩起きている場合は、プロペラを動作させるためにバッテリーが充電されていることを確認してください。そうしないと、高度が下がり始めます。

ソーラー飛行機は飛行中、バッテリーと太陽光発電を自動的に切り替えます。太陽があるときはプロペラを動かし、バッテリーや燃料電池を充電します。バッテリーをより速く充電するには、パイロットの飛行を遅くすることができます。夜間や雲の中では、プロペラはバッテリーまたは燃料電池のみで動作します。

着陸の時間になったら、電源を切ってプロペラを停止します。ソーラー飛行機は滑空しながら降りていきます。技術者たちは着陸速度よりも効率よく飛行できるようにしたいと考えています。 「彼らは非常にゆっくりと降下します」とデル・フラーテ氏は言う。 「着地に持ち込もうとするときは、掴んで引き下ろしたいものです。」

ソーラーエアクラフトの環境上の利点

多くの研究者は、ソーラー飛行機を空に駐機させることが有益であると述べています。カメラやその他のセンサーを搭載して、ある場所の上をホバリングすることができます。成層圏では、オゾン層近くのガスをサンプリングできます。森林火災を監視したり、地上でハリケーンを追跡したりすることもできます。

軍にとって、ソーラー飛行機は偵察に役立ちます。偵察機のように高く飛ぶため、ステルス性が高くなります。しかし、偵察機は上空を飛んで戻ってこなければなりませんが、ソーラー飛行機は瞬きをしない目です。何年も途切れることなく写真やビデオを撮影できます。 「出来事が起こったとき、彼らはそれに至るまでのすべてを研究することができます」とデル・フレート氏は言います。法執行機関にとっては、国境や港のパトロールに適しています。

確かに衛星はこれらのタスクの一部を実行できます。しかし、ソーラー飛行機は、より現場に近いため、より安価なカメラで地上の詳細を確認できます。また、構築と立ち上げのコストも低くなります。人工衛星は一度軌道上に乗ると移動するのが難しいですが、ソーラー飛行機は簡単に移動できます。メンテナンスのためにソーラープレーンを降ろすのも簡単です。

ソーラー飛行機は電気で動くため、排気ガスを排出しません。民間航空機はそうします。 1992 年、航空機は 5 億トンの CO _{2 を}排出しました。これは人間による CO ₂排出量の 2% に相当します。いずれにせよ、ソーラー飛行機はおそらく多くの乗客を運ぶのに十分な電力を持たないため、クリーンな旅客機になることはできません、とデル・フレート氏は言います。

F-22A ラプターや U-2 偵察機などの成層圏ジェット機も排気ガスを排出します。それらは成層圏に放出され、そこではガスが私たちの下の対流圏よりも長く存続しますが、大気汚染、オゾン層破壊、地球温暖化への影響は徹底的に測定されていません。これらの飛行機のように加速して操縦できるソーラー飛行機が実現するのは、何年も先の話です。したがって、現時点でソーラー飛行機が他の飛行機に代わる環境に優しい代替品であるかどうかについて話すのは現実的ではありません。それでも、現在の用途にとってはクリーンな手段です。

デル・フレート氏によると、ソーラー飛行機の驚くべき利点は、ソーラーパネルメーカーが大型の高効率パネルを搭載したソーラー飛行機を年間十数機供給すれば、家庭用の高効率パネルのコストが下がることだという。

鳥だよ！飛行機だよ！

「かつて誰かが私に尋ねました、鳥はどうですか？鳥にぶつかることを心配していますか？」とジョン・デル・フレートは思い出します。 「笑うしかありませんでした。鳥はこれらのものの一つを飛び越えることができます。鳥は飛んでいる間にこれらのものに巣を作ることができます！」ソーラー飛行機を邪魔にならない場所に移動するのは難しいため、パイロットはFAAと協力して他の飛行機から離れた飛行を計画しています。幸いなことに、高度 65,000 フィート (20 キロメートル) を飛行する飛行機はほとんどありません。

生きるためには食べ物と住まいが不可欠ですが、水がなければ誰も長く生きていくことはできません。有史以来、文明は豊富な H20 源の近くで暮らしてきたのはそのためです。しかし、ただたくさんあれば十分というわけではありません。命を与える同じ水でも、危険な物質や病気の原因となる微生物が含まれている場合、人を病気にしたり、死に至らしめたりする可能性があります。また、人々は作物への灌漑、洗濯、廃棄物の処理などの活動に水を使用するため、人口に近い水源は容易に汚染される可能性があります。

その結果、人類は何千年もの間、水を浄化しようとしてきました。紀元前 1500 年に遡り、逆浸透プロセスが導入されるずっと前に、エジプト人は飲料水から浮遊沈殿物をろ過するために化学ミョウバンを使用していました。しかし、科学者たちが微生物が病気の原因であり、水を塩素またはオゾンで処理して微生物を除去できることを発見したのは、1800 年代後半から 1900 年代初頭になってからでした 。

2012年の国連の調査によると、現在ほとんどの国で蛇口から出てくる水は清潔で安全ですが、世界人口の約11パーセント（7億8,300万人）は依然として飲料水を利用できません。そのため科学者たちは、さまざまな化学的および物理的プロセスを使用して水を取得し、浄化する新しい方法を開発しています。ここでは、最も有望なテクノロジーを 10 個紹介します。

10: 直接接触膜脱塩

広大な海を飲料水源として利用できれば、誰もが十分すぎるほどの水を手に入れることができるでしょう。しかし、それは塩を除去することを意味し、既存の技術を使用すると非効率的でコストがかかります。ニュージャージー工科大学の化学工学教授カマレシュ・シルカール氏が開発した新しいプロセスが、これほど輝かしい可能性を秘めているのはこのためだ。

Sirkar の直接接触膜蒸留 (DCMD) システムでは、加熱された海水が、冷たい蒸留水で満たされた一連の中空管を含むプラスチック膜を通って流れます。 DCMD のチューブには小さな孔があり、その上に溜まる水蒸気は通過できるが、塩は通過できないように設計されています。蒸気は細孔を通って拡散して排出され、再び凝縮して液体の水になります。

シルカー氏によると、彼のシステムは非常に効率的で、海水 100 リットル (26 ガロン) あたり 80 リットル (21 ガロン) の飲料水を生成できます。これは、既存の淡水化技術が生成できる量の約 2 倍です。 DCMD の潜在的な欠点の 1 つは、膜の両側の水温が等しくなるのを防ぐために、安定した安価な熱源が必要であることです。しかし、いつか DCMD システムが陸上の工場や海上の石油掘削作業からの廃熱をリサイクルできる可能性があり、それが誰にとってもメリットのあるものになります 。

9: セラミック浄水フィルター

粘土セラミックフィルターは、前のセクションで説明した脱塩技術と同様の方法で機能します。基本的に、水は非常に小さな穴がたくさんある粘土の中を流れます。その穴は、水分子を通すのに十分な大きさですが、生物学的汚染物質、汚れ、その他の悪い物質を入れるには小さすぎます。

ドルトン以来、他の発明者は、バクテリアを殺すために銀コーティングを追加するなど、彼の基本コンセプトに改良を加え、今日のセラミックフィルターが危険な病原体を除去する上でさらに優れた働きをするようになりました。しかし、本当に革命的な発展は、人道的非政府組織が工場を設立し、発展途上国で安価なセラミックフィルターを大量に製造して配布していることです。

2006年の研究では、ポータブルで稼働にエネルギーを必要としない簡易フィルターを使用したカンボジア人は、2003年の発生率と比べて下痢性疾患の発生率を46パーセント減少させ、水中の大腸菌汚染を95パーセント減少させたことが判明した。

これらのセラミックフィルターの欠点の 1 つは、濾過の速度です。水は粘土フィルターから 1 時間あたりわずか 2 リットル (2.11 クォート) の速度で染み出します。しかし、銀溶液が病原体を殺す時間を与えるために、このプロセスはゆっくりと行う必要があります。また、フィルターはヒ素などの有害な化学物質も除去しません。

8: ハーブによる脱フッ素化

米国では、水道会社は歯を虫歯から守るために飲料水に少量のフッ化物（1リットルあたり0.8～1.2ミリグラム）を添加している。しかし、インド、中東、一部のアフリカ諸国を含む世界の一部の地域では、水にはすでに天然のフッ化物が大量に含まれており、そのレベルは健康に危険を及ぼすほど高くなる可能性がある。たとえば、インドのある村では、1リットルあたり5～23ミリグラム（0.00017～0.008オンス）という自然発生レベルの濃度により、住民が重度の貧血、関節の硬直、腎不全、歯の汚れを引き起こしている 。

幸いなことに、インドの研究者は、2013 年 3 月の International Journal of Environmental Engineering の記事で考えられる解決策を提案しました。研究者らは、飲料水から過剰なフッ化物を吸収するために、一般的な薬草であるTridax procumbensを使用するフィルターシステムを開発しました。この植物は、水から有毒な重金属を抽出するためにも使用されており、摂氏約27度（華氏80.6度）で水が通過するとフッ化物イオンを引き寄せます。

このフィルターは、供給水に過剰なフッ化物が含まれている場所で水を安全にする、安価で使いやすい方法を提供する可能性があります。しかし、水にフッ化物が添加されるという考えを好まない米国や他の国の人々も使用する可能性があります。

7：「スーパーサンド」

砂と砂利は何千年もの間、水を浄化するために使用されてきました。1804 年に、ジョン ギブというスコットランド人が、砂粒を通して水をこし、より大きな汚染粒子を除去する最初のフィルターを設計し、製造しました。彼の技術は非常にうまく機能し、すぐにロンドンやヨーロッパの他の大都市では、川の水がより透明になり、味が良くなるために急速砂ろ過器が使用されるようになりました。

1800 年代後半までに、科学者たちは、濾過によって阻止された粒子が、水を媒介とする病気を引き起こす微生物の伝播を助ける粒子であるため、濾過によって水がより安全に飲めるようになることを発見しました。濾過の価値は 1892 年に証明されました。このとき、エルベ川から飲料水を供給していたハンブルク市はコレラの流行に見舞われ 7,500 人が死亡しましたが、隣のアルトナ市では同じ川から水を供給していました。濾過された — ほとんど手つかずのまま逃げられた 。

しかし最近、研究者らは、砂粒を酸化グラファイトでコーティングして、水銀などの有害な汚染物質を水から通常の砂の5倍効果的にろ過できる「スーパーサンド」を作成する方法を発見した。スーパーサンドにさらに危険な汚染物質を吸収させ、最終的には水道がひどく汚染されている発展途上国で使用する方法を見つける努力が続けられている。

6: ペットボトルによるヒ素の除去

1940 年代の映画のようなブラック コメディ「Arsenic and Old Race」をご覧になったことがある方ならご存知でしょう。この映画では、善意の未婚男性のカップルが、孤独な老人たちにヒ素入りのニワトコのワインを飲ませて、彼らを悲惨な状態から救おうとします。後者の物質はかなり悪いものです。ヒ素が飲料水を汚染すると、神経系、心臓、血管に悪影響を与えるだけでなく、膀胱がん、肺がん、皮膚がんを引き起こす可能性があります。

残念なことに、現在、発展途上国のほぼ1億人が地表水中の危険な高レベルのヒ素にさらされており、ヒ素を除去するために米国で使用されている複雑で高価な水処理プラントを購入する余裕がありません。ただし、新しいテクノロジーが解決策を提供する可能性があります。モンマス大学（ニュージャージー州）の化学教授ツァナングライ・トンゲサイ氏は、通常のプラスチック飲料ボトルの細片をアミノ酸の一種であるシステインでコーティングする安価なヒ素除去システムを開発した。

プラスチック片を水に加えると、システインがヒ素と結合してヒ素が除去され、水が飲めるようになります。テストでは、20ppbの危険なヒ素を含む水を摂取し、それを米国環境保護庁の基準を満たす0.2ppbまで減らすことができた

5：清めの塩

高価な浄水施設を建設する余裕がない貧しい国では、無償の資源である太陽光に依存することがあります。太陽からの熱と紫外線の組み合わせにより、アフリカで毎年525,000人の子供たちの命を奪っている下痢の原因となる微生物のほとんどが死滅します。厄介な問題の 1 つは、このプロセスが機能するためには水が透明でなければならないということです。これは、人々が川、小川、井戸から水を汲んでいる田舎では、懸濁した粘土粒子で満たされた水が得られるという問題です。

しかし、ミシガン工科大学の材料科学および工学准教授ジョシュア・ピアース氏と、オンタリオ州クイーンズ大学の同僚ブリトニー・ドーニー氏は解決策を持っている。 Journal of Water, Sanitation and Hygiene for Developmentの2012年の記事で、彼らは最初に凝集と呼ばれるプロセスで水を処理する太陽光消毒計画を提案しました。

このプロセスでは、粘土を引き出すために水に少量の食塩を加えます。できあがった飲料水にはアメリカ人が慣れ親しんでいる塩分濃度よりも高い塩分が含まれていますが、それでもゲータレードよりは塩分が少ないのです。 「私もこの水を飲んだことがあります」とピアースさんはインタビューで語った。 「きれいな水がない場所にいて、下痢をしている子供たちがいて、これで彼らの命が救われるとしたら、私は疑いなくそれを使います。」

4: ステリペン

発展途上国の旅行者にとって、安全でない水にさらされることは大きなリスクとなる可能性があります。魔法の杖を水に浸して浄化できたら素敵だと思いませんか？基本的にはそれが可能です。スイスのカタダイン グループが販売するステリペンと呼ばれる携帯用装置は、紫外線を使用して病気の原因となる微生物を根絶します。

この装置はボトル入り飲料水プラントで使用されているのと同じ浄化技術を採用していますが、小型化されているため、重量はわずか 6.5 オンス (184 グラム) でバックパックに収まります。これを 1 リットルの川や池の水に 48 秒間突っ込めば、出来上がりです。飲んでも安全です。

SteriPENS の大きな市場はバックパッカーや旅行者ですが、米軍でも使用されています。 SteriPEN は、水道水が利用できない人里離れた荒野で働かなければならない狩猟監視員にもデバイスの一部を寄付しました。

3: MadiDrop セラミック浄水ディスク

緩速濾過器は発展途上国で水を浄化するための便利で安価な方法です。しかし、バージニア大学に拠点を置く非営利人道団体「ピュアマディ」（「マディ」とは南アフリカのチベンダ語で「水」を意味する）は、水を入れた容器を簡単に浄化できる追加の使いやすい技術を考案した。それに浸ることによって。

MadiDrop はハンバーガーのパティほどの大きさの小さなセラミックディスクで、微生物を殺す銀または銅のナノ粒子が含まれています。ナノ粒子は基本的に、単一の単位として動作するように科学者によって特別に設計された、本当に本当に小さな物体です。

プロジェクトのリーダーの一人である土木・環境エンジニアのジェームス・スミス氏によると、MadiDropは、PureMadiがすでに製造している大型のセラミック製植木鉢用フィルター（最初のページの写真）よりも安価で使いやすく、持ち運びも簡単だという。 1 つの欠点は、繰り返しになりますが、MadiDrop は水を濁らせる浮遊粒子を除去できないことです。したがって、理想的には、ユーザーは、まず植木鉢フィルターを使用して沈殿物を除去し、次に MediDrop で微生物を根絶するという 2 段階の浄化プロセスを経て水を使用することになります 。

2: 毒素を食べる細菌

おそらく私たちの多くは藻類を、水槽から時々掃除しなければならないひどいものだと考えているでしょうが、健康にとっても深刻な脅威となる可能性があります。シアノバクテリアと呼ばれる藍藻類は、世界中の淡水と海水の両方で見られます。これらは、ミクロシスチンと呼ばれる毒素を生成し、それらで汚染された水を飲んだり、泳いだり、入浴したりする人々によって容易に摂取されてしまいます。

ミクロシスチンが体内に入ると、 肝細胞を攻撃する可能性があります。それは明らかにあなたが望んでいることではありません。残念ながら、塩素処理や砂ろ過プロセスなどの従来の水処理プロセスでは、これらの小さな脅威を取り除くことはできません。だからこそ、スコットランドのロバート・ゴードン大学の研究者らが開発した新しい浄水プロセスに大きな期待が寄せられているのだ。

研究者らは、昼食にミクロシスチンを好む10種類以上の異なる細菌株を特定し、ミクロシスチンを代謝して無害で毒性のない物質に分解することができる。藻類を殺すバクテリアが水源に導入された場合、潜在的に有害な化学物質を使用せずにミクロシスチンを除去し、水を安全に飲めるようにすることができるはずです 。

1: ナノテクノロジー

銀または銅のナノ粒子を利用して人間が消費できる水を安全にする革新的な新しいデバイス、MadiDrop についてはすでに述べました。しかし、ナノテクノロジー、つまり人間の髪の毛の幅よりも小さい、本当に小さな物体や構造を工学的に扱う技術には、世界の飲料水を浄化するのに役立つ可能性がはるかにあります。

インドのDJ Sanghvi College of Engineeringの研究者らは、例えばカーボンナノチューブとアルミナ繊維で作られたフィルターは、堆積物や細菌だけでなく、ヒ素などの微量の有毒元素さえも除去できる可能性があると述べている。

ナノフィルター (ナノフィルター) を使用する利点の 1 つは、従来の水ろ過システムよりも効率が高く、それほど大きな水圧を必要としないことです。また、その細孔は従来のフィルターよりもはるかに小さいにもかかわらず、流量は同等かそれより速くなります 。さらに、追加の消毒のために二酸化塩素を取り付けることもできます。

マサチューセッツ工科大学では、研究者らが脱塩にナノテクノロジーを利用することも検討している。彼らは、原子 1 個分の厚さの炭素の一種であるグラフェンのシートを海水を濾過するために使用する実験を行っています。ナノテクノロジーを使えば、厚さわずか10億分の1メートルの極小の穴で満たされたシートを作成することが可能になり、塩の粒子はブロックできるが、水分子の通過は可能になる。

著者のメモ: 水浄化における 10 のイノベーション

私はペンシルベニア州西部のかつてスティール・バレーとして知られていた場所で育ちました。そこでは、私たちが飲料水として依存していた川が、鉱山からの重金属や酸から生下水に至るまで、あらゆるもので汚染されていました。しかしどういうわけか、水道から出てくる水は透き通っていて、味も問題ありませんでした。私はいつもそのことに戸惑い、それを飲用にするにはどのような精巧な技術が必要なのか疑問に思っていました。この記事を調べることは私にとって興味深いものでした。なぜなら、水の浄化の歴史と、地球上の人々がきれいな水に確実にアクセスできるようにするための最近の技術革新の両方について学ぶことができたからです。

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電気自動車はまだガソリンを大量に消費する電気自動車を超えるには至っていませんが、その利点は世界中のドライバーの共感を呼び続けています。高炭素排出の罪悪感や、最後のガソリン補給による金銭的負担を感じることなく、景色の良い高速道路を走り抜けることを想像してみてください。煙を吐き出す無数のエンジンのスロットルとうめき声がなければ、世界はどれほど静かになるでしょうか?

これらのイノベーションは必然的に私たちの目を空に向けます。これまで以上に、航空交通の結露の跡が空に模様を織り込んでいますが、電気飛行機は一体どこにあるのでしょうか?空港ですぐに「電動飛行」オプションが見つかるとは期待しないほうがよいでしょうが、電動航空機は存在するだけでなく、その技術は目覚ましい速度で進化し続けています。

電気航空機と電気自動車には、同じ課題がいくつかあります。内燃機関を使わずに、どのようにして必要な量のパワーを生み出すのでしょうか?バッテリーが多すぎると車両の重量が重くなるのを避けるにはどうすればよいでしょうか?さらに、電源コードを何マイルも後ろに引きずることなく、最大限の走行距離を獲得するという問題もあります。こうした懸念を雲の中に持ち込んで克服すれば、急騰するか急落するかの大きな違いが得られることがよくあります。

もちろん、エンジンがなくても問題なく飛行できます。鳥たちは何百万年も前からこの飛行を行っており、人類の最初の飛行成功はすべて動力を使わずに成功した。フランス人のアルバートとガストン・ティサンディエは、1883 年に自ら設計した飛行船に乗って、実際に世界初の電動飛行に成功しました。

それ以来、さまざまな電動航空機が設計者の設計図を飾り、多くが実際に空に飛び立ちました。この記事では、電気航空機に電力を供給するための主要なアプローチを検討し、この技術がどこに向かっているのかを見ていきます。

電動飛行機の操縦方法

明らかに、電動航空機が飛行するにはエネルギーが必要です。そしてそれが大きな課題です。飛行機にあまり負担をかけずに、飛行機に動力を供給するのに十分な電力を供給するにはどうすればよいでしょうか?それが燃料の本当の利点です。概して、電気バッテリーはガソリンの重量で生成できるほど多くの電力を供給できません。それでも、デザイナーたちの挑戦は止められませんでした。これらは、電動航空機の 3 つの基本的な種類です。

バッテリー駆動: この設計では、航空機に搭載バッテリー電源を適切に接続する必要があります。バッテリーは、19 世紀後半の最初の電動飛行で役割を果たしただけでなく、今日でも愛好家が使用する多くのラジコン飛行機に電力を供給し続けています。これら 2 つの事実は無関係ではありません。小型の無人飛行機や熱風で上昇する飛行船内ではバッテリーを使用する方がはるかに簡単です。バッテリーは航空機に大きな重量をもたらすため、実際にバッテリー駆動の飛行機を操縦できるようになるには、燃料電池技術が十分に進歩するまで待つ必要がありました。最初の電池駆動の有人飛行は 2006 年 7 月 16 日に行われ、東京工業大学の学生が 160 個の単三電池で駆動する軽飛行機を打ち上げました 。

太陽光発電: バッテリーの重量の問題に対処するために、1970 年代の設計者は太陽光発電を使って空を飛びました。これらの飛行機はバッテリーの電力だけに依存するのではなく、無限に再生可能な太陽の資源と組み合わせて使用​​しました。しかし、太陽放射からのエネルギー量は、1 ガロンのジェット燃料に比べればまだ微量であり、ソーラー飛行機は遅くて軽いものになります。主な利点は、理論上、無人の低空飛行衛星として、または凧のように地面に繋がれた状態で、一度に何年も空中に留まることができることです。詳細については、「ソーラー飛行機の仕組み」を参照してください。

ワイヤレス電力伝送: 電動航空機に電力を供給するもう 1 つの方法は、パワー ビームまたはワイヤレス電力伝送 (WPT) です。この技術には、地上のレーザーまたはマイクロ波エミッターを使用して、空中を介して受信機を備えた航空機にエネルギーを送信することが含まれます。マイクロ波電力伝送 (MPT) は、1964 年に小型ヘリコプターに電力を供給するために初めて使用され、その電力はなんと 10 時間使用されました 。 2002 年、NASA の研究者は、スポットライトとレーザー ビームを使用して小型の無人ソーラー クラフトに必要なエネルギーを供給する実証に成功しました。この技術の研究は続けられているが、科学者たちは、いつか太陽光発電を搭載した航空機が特定の地域で夜間飛行できるようになるかもしれないと考えている。詳細については、 「ワイヤレス パワーの仕組み」を参照してください。

電動飛行機の近未来

世界中の開発者は現在、電動航空機設計の革新に取り組んでいます。燃料電池技術、エンジン、さらにはプロペラの設計における画期的な進歩により、電気空力の可能性の限界が押し広げられ続けています。以下に、航空の未来がどのようなものになるかを示すいくつかの例を示します。

ピピストレル トーラス エレクトロ:この電動飛行機は、基本的に超軽量グライダーによく似ています。問題は、2 つのリチウムポリマー バッテリー パックが、31 ポンド (14 キログラム)、30 キロワットの電気モーターを備えた上部に取り付けられたプロペラを駆動することです。これにより、実験船は牽引機として機能する別の飛行機に依存するのではなく、単独で離陸することが可能になります。

Yuneec E430:中国の Yuneec International は、初めて市販の電気飛行機を提供したいと考えています。同社の E430 飛行機は 2 人乗りで、伝えられるところによると 3 時間で充電し、完全に充電すると 2 時間半稼働します。費用はすべて 89,000 ドルです 。これは 159 ポンド (72 キログラム) のリチウムポリマー電池に依存します。同社は2010年の販売開始を予定している。

スカイスパーク:この 100% 電動飛行機は、2009 年 6 月に全電動飛行機の対空速度の世界記録である時速 155 マイル (時速 250 キロメートル) を樹立して話題になりました。この飛行機は基本的にパイオニア アルピ 300 を改造したもので、75 キロワットの電気モーターと一連のリチウム ポリマー バッテリーを搭載しています。この飛行機は、独立系スタートアップ DigiSky とトリノ工科大学の製品です。次のステップとして、開発者は水素燃料電池でエンジンに電力を供給することを計画しています。

将来のプロジェクトに関しては、デザイナーの試みには限界がありません。たとえば、テスラモーターズのCEOイーロン・マスクは、2009年のサミットで超音速電子飛行機の開発を大胆に提案した。この種のテクノロジーはまだかなり先の話ですが、バッテリー電力が私たちをどこへ導いてくれるのかを示しているのは確かです。

次のページのリンクを参照して、有人飛行とグリーン テクノロジーについてさらに詳しく学んでください。