太陽光エネルギーを利用する海水淡水化装置を実現したい!

支援総額
361,000円
達成率
90%
サポーター
34
残り時間
57

プロジェクト内容 コメント 14 進捗報告 0

academistスタッフからの一言

太陽光をあてるだけで次々に水が蒸発する材料の実用化に向けて

「材料は世界を豊かにする」と信じ日々基礎研究に励んでいるという石井さんとマンプリート・カウアーさん。太陽光を効率よく吸収する窒化チタンナノ粒子と毛管現象で水を吸い上げるセラミックウールを複合させ、「太陽光を利用した水の高効率蒸発材料」を開発しました。この材料を使えば安価で簡単な海水淡水化装置をつくれる可能性があり、水不足に苦しむ人々の生活水の確保や、インフラが破壊された災害地での水供給などへの活用が期待できます。「使われてこそ材料」とも言われる材料研究の世界。今回のプロジェクトでは海水淡水化装置のプロトタイプをつくり屋外実験を進め、実用化への一歩を踏み出します!

Motsuka

担当者:大塚美穂

環境に優しい太陽光エネルギーを活用する / Maximize the utilization of solar energy

太陽光エネルギーを効率よく有益に利用する方法を考えることが、いま、重要視されています。太陽光エネルギーは環境に優しい再生可能エネルギーであるためです。ソーラーパネルでの太陽光発電などはその一例で、すでに広く普及しています。小さいところでは時計や電卓の電源として、大きなところでは家庭の電源として実際に太陽光発電を活用されている方もいらっしゃるかもしれません。

太陽光発電では太陽光エネルギーを電気エネルギーへ変換しています。光エネルギーの変換効率に注目すると、最高でも約30%、一般的なソーラーパネルでは10〜20%程度の変換効率です。

一方、太陽光エネルギーから熱エネルギーへの変換の場合、窒化チタンナノ粒子を用いることで約90%以上という非常に高い変換効率が実現されています。そこで私たちは、太陽光エネルギーを熱エネルギーに変換し、それを水の蒸発に効率よく利用することで、海水の淡水化装置を作れるのではないかと考えました。

The sun is the most familiar renewable energy source. Among the various approaches, photovoltaic cell is the most popular and wide-spread method to convert sunlight to energy for human. Photovoltaic cells can be found in number of places from small-scale to large-scale applications; for instance, they have been used in wristwatches and houses.

The conversion efficiency is a critical factor to generate energy from the sun. Commercial photovoltaic cells have the light-to-electricity conversion efficiency around 10-20 %.

In stark contrast, the light-to-heat conversion efficiency is known to be higher than those of photovoltaic cells. We have recently demonstrated that TiN nanoparticles have light-to-heat conversion efficiencies above 90 %. Moreover, they are suited to quickly evaporate water by locally heating water only around them. Having this result, we think of using them to distill sea water with high efficiency.


窒化チタンナノ粒子×セラミックウールで高効率に水を蒸発させる / Combining titanium nitride nanoparticles and ceramic wools for highly efficient sunlight driven water evaporation

日常で「晴れた日に海を眺めていたら、水が蒸発する様子が目に見えた」という経験はないと思います。これは太陽光エネルギーを利用しきれていないためです。海水を太陽光によって温め、水分を効率よく蒸発させるために必要とされる材料の性質は、「太陽光を効率よく吸収すること」、そして「熱エネルギーを無駄なく水に伝えること」です。

太陽光を効率よく吸収する(光熱変換の効率が非常に良い)材料として、私たちは窒化チタンナノ粒子に注目しました。窒化チタンナノ粒子は、その表面に光が照射されると「プラズモン共鳴」という現象が起き、太陽光を広帯域に吸収することができます。そして実験の結果、約90%という高効率で光エネルギーを熱エネルギーに変換することが確かめられました。なお、窒化チタン自体は決して新しい材料ではありません。これまで、ドリルの刃等のコーティングやロシア正教会のチャペルの装飾、電子素子の電極材料に使用されてきました。しかし、太陽光を吸収する材料として使うのは新しい試みです。

さらに、この窒化チタンナノ粒子をセラミックウールという綿上のセラミックス素材を化学的に結合させることで複合材料を開発しました。セラミックウールは毛管現象により水を吸い上げることができます。そのため、毛管現象でセラミックウールが吸い上げた水分だけを窒化チタンナノ粒子が局所的に温めるため、水全体を温めることなく水を蒸発させることができるのです。これにより、「太陽光を利用した水の高効率蒸発材料」を開発しました。室内実験では、太陽光の約50%のエネルギーが水の蒸発に使われるという実験結果が得られています。

Although water in pond or sea naturally evaporates, typically vapor is not visible. This is because in a natural process, the evaporation efficiency is low. However, when our composite material is under focused artificial sunlight, vapor is visible even at room temperature. The important factors behind our samples are high sunlight absorption efficiency and local heat transfer from the TiN nanoparticles to water by suppressing the heat dissipation.

In our study, we chose TiN nanoparticles as highly efficient sunlight absorbers. The average size of our TiN nanoparticles are 50 nanometer on average, which is around one thousand times smaller than the diameter of hair in terms of size. While the bulk color of TiN is quite similar to that of gold, TiN nanoparticles look black. Actually, they are “darker” than black! What we mean here is that TiN nanoparticles have even higher sunlight absorption efficiency that black nanoparticles which are conventionally considered as good sunlight absorbers. The reason for the high sunlight absorption of TiN nanoparticles are due to their optical resonances, termed as surface plasmon resonances. Different from other nanoparticles that can excite surface plasmon resonances, the surface plasmon resonances of TiN nanoparticles are broad enough to cover the majority of solar spectrum.

In addition, we developed a composite material by chemically bonding TiN nanoparticles on ceramic wool which looks like cotton. When this composite is floating on water, the ceramic wool sucks water by the capillary actions so that only the surface of TiN nanoparticles get wet and minimize the heating of surrounding water. With this rational design, the conversion efficiency from sunlight to vapor has become around 50 %.

B2

安価で簡単な海水淡水化装置をつくりたい / Toward cost-effective sea water desalination system

多くの発展途上国では安全な水を確保できないために困窮している人々が大勢います。また現状、海水を淡水化し生活水に使用するためには、逆浸透膜を用いた大掛かりな海水淡水化プラントが必要であり、これには高額の設備と多くの電力が必須です。

今回私たちが開発した材料に含まれるチタンや、セラミックウールに使われているシリコンとアルミニウムは、地球上に多く存在している物質であり、さまざまな用途で使われている安価な材料です。この新材料を利用することで、太陽光をあてるだけの「簡単な海水淡水化装置」が実現する可能性があります。そして、この装置を使えば、水不足に苦しんでいる多くの人々の生活を改善できるかもしれません。また、日本などの先進国でも災害地や離島などでの使用が考えられます。

一方で私たちのこれまでの研究成果は、人工太陽光を用いた室内実験に留まっています。実用化のレベルに引き上げるには、蒸発させた水の回収機構を含む装置を検討してプロトタイプを製作し、実際の太陽光を使った屋外実験を行うことが欠かせません。

There are number of places in the world where access to clean water is limited and the only source of water is sea. Sea water can be desalinated by, for instance, reverse osmosis system, however, it consumes huge electrical power and is expensive. Moreover, it is not suited for small-scale water desalination.

In contrast, our composite material is simple and cost-effective, which makes it suitable for personal usage. It contains only abundant metallic elements; titanium and aluminum. These features make our composite material practically attractive.

Nevertheless, so far we have perform our experiment with an artificial sunlight; it is basically an intense lamp having a spectrum similar to sunlight. Since we have been working in the lab, the sample sizes were typically a few centimeters. For future practical applications, we think it is inevitable to do experiment outside under the sun with larger amount of samples. It is also necessary to design something like a roof to collect vapor to have distilled water without blocking incoming sunlight.

%e3%82%b9%e3%82%af%e3%83%aa%e3%83%bc%e3%83%b3%e3%82%b7%e3%83%a7%e3%83%83%e3%83%88 2018 12 25 12.49.12

研究費サポートのお願い / Fundraising

今回、クラウドファンディングに挑戦しようと決めた理由は2つあります。ひとつは、屋外実験を行うための海水淡水化装置のプロトタイプを製作する研究資金が不足していることです。ご支援いただいた研究費は、このプロトタイプの製作費にさせていただきます。今回の研究成果をデスクに眠らせておくのではなく、1日でも早い実用化に向けて前へ進められればと思っています。

もうひとつの理由は、自分の研究成果をできるだけ多くの人と共有したいと思ったからです。「良い材料は世界を豊かにする」と信じて研究に励んでいますが、研究者ひとりでできることには限度があります。材料研究は基礎研究と呼ばれ、実際に製品化するまでには数多くの段階があり時間がかかります。多くの方々にこの研究を知ってもらい、ご支援いただくなかで生まれる出会いやアイデアが、この研究を飛躍的に前進させることにつながると思っています。

「天然のエネルギー源である太陽光を利用し困っている人を救う装置を作る」という目標をみなさまと一緒に実現できたら幸いです。どうかご支援のほどよろしくお願いいたします。

As mentioned above, we would like to demonstrate solar water evaporation under the sun using our composite materials. For this purpose, we are planning to fabricate the sample to cover nearly 1 m² area and build a setup to keep the vapor and collect distilled water. In the outside experiment, we plan to distill sea water and make sure that the collected water is clean and drinkable. The donations raised by this crowd funding will be used to fabricate composite material and build a setup to collect distilled water. We very much appreciate your kind donations to support our project.

Support

挑戦者の自己紹介

Profile

石井智は、つくば市出身で物質・材料研究機構への就職を機につくば市に戻ってきました。しかもただ同じ市内というだけでなく、当時通っていた小学校と中学校は物質・材料研究機構と1km程度しか離れていません。都内の大学に通い、アメリカ合衆国へ学位留学し、つくばからはどんどん離れていったのですが、つくばとは不思議な縁があったようです。 マンプリート・カウアー(Manpreet Kaur)は、インド出身で現在は物質・材料研究機構と北海道大学との連係大学院に所属する大学院生(指導教員:長尾忠昭(NIMS、北海道大学大学院))です。修士課程のときに物質・材料研究機構にインターンシップにきたときに今回の研究の元になる成果が出たため、博士課程では物質・材料研究機構に戻ってきました。彼女もつくばに縁があったようです。 物質・材料研究機構ではしばしば、「使われてこそ材料」と言います。いくら特性が良い物質でも世の中で使われないと材料とは呼べない、と言う意味です。この観点でみると、私たちの開発したものはまだ材料とは呼べません。今回の実験をとおして、少しでも「材料」に近づくような成果を得られるよう努めていきます。  Satoshi Ishii is a Senior Researcher at National Institute for Materials Science (NIMS) in Tsukuba, Japan and also is an adjunct associate professor at the University of Tsukuba, Japan. He received his PhD from Purdue University in the United States. Manpreet Kaur is a graduate student at NIMS-Hokkaido University Joint Graduate Program pursuing her PhD. She holds her master degree from Punjab University in India.

研究計画

以下のスケジュールで研究を進めていきます。

2018年12月 クラウドファンディング挑戦 Start fundraising
2019年1月 光熱変換素材の作製 Fabricate samples
2019年2月 屋外実験準備 Design and built a setup to collect vapor
  1. 屋外実験用装置の作製
  2. 水蒸気回収構造の設計
  3. 水蒸気回収構造の作製
  4. 光熱変換素材の取付
2019年5月 屋外での蒸発実験 Conduct water distillation experiment outside
2019年6月 装置の改良 Improve the system design by based on the initial results
2019年7-8月 屋外での蒸発再実験 Conduct water distillation experiment (second round)
2019年9月 研究のまとめ

リターンの説明

1,000円
(税抜)

注目のリターン:研究報告レポート(PDF版)

  1. 研究報告レポート(PDF版)
1000

研究の詳細な進捗などをレポートにまとめてお送りします。応援よろしくお願いいたします! Research report of the project will be sent.

現在、16人のサポーターが支援しています。

(数量制限無し)

5,000円
(税抜)

注目のリターン:学会発表資料の謝辞にお名前掲載

  1. 学会発表資料の謝辞にお名前掲載
  2. 研究報告レポート(PDF版)
5000

応用物理学会にて本研究に関する発表をする際、謝辞にお名前を掲載させていただきます。また、発表資料(電子版)を送付いたします。お力をお貸しください。応援よろしくお願いいたします! ※記載の学会発表が叶わなかった場合、その後の学会発表資料の謝辞に必ずお名前を掲載いたします。 Acknowledgement of the donators’ name in the presentation materials at academic conferences.

現在、6人のサポーターが支援しています。

(数量制限無し)

10,000円
(税抜)

注目のリターン:サイエンスカフェ参加権

  1. サイエンスカフェ参加権
  2. 学会発表資料の謝辞にお名前掲載
  3. 研究報告レポート(PDF版)
10000

サイエンスカフェにご招待いたします。日時は2019年12月で、場所はつくば駅周辺を予定しています。当日は今回の結果を中心にお話しさせていただきますので、ご参加をお待ちしています! ※当日ご参加いただけない場合には、後日資料を共有させていただきます。 Invitation to a private seminar (science cafe) where we present our project outcome. Transportation expenses are not included.

現在、6人のサポーターが支援しています。

(数量制限無し)

30,000円
(税抜)

注目のリターン:材料

  1. 材料
  2. サイエンスカフェ参加権
  3. 学会発表資料の謝辞にお名前掲載
  4. 研究報告レポート(PDF版)
30000

今回の実験に使った試料を少量お送りします。よく晴れた日に太陽光をレンズ等で集光すれば水が蒸発する様子を確認できると思います。ぜひご自身の手で実験をお楽しみください! A small amount sample that we used in our project will be shipped to you. You can see water evaporation if you focus sunlight to the sample. Please note that this reward is shipped to those who have addresses in Japan.

現在、5人のサポーターが支援しています。

(数量制限無し)

50,000円
(税抜)

注目のリターン:論文謝辞にお名前掲載

  1. 論文謝辞にお名前掲載
  2. 材料
  3. サイエンスカフェ参加権
  4. 学会発表資料の謝辞にお名前掲載
  5. 研究報告レポート(PDF版)
50000

本研究成果を発表する際の謝辞にお名前を掲載させていただきます。 ※研究成果をまとめられるよう努力いたしますが、論文の掲載に至らない可能性もございますこと、ご承知おきいただけますと幸いです。 Acknowledgement of the donators’ name in the academic journal if our work is accepted.

現在、0人のサポーターが支援しています。

(数量制限無し)

100,000円
(税抜)

注目のリターン:研究室見学ツアー

  1. 研究室見学ツアー
  2. 論文謝辞にお名前掲載
  3. 材料
  4. サイエンスカフェ参加権
  5. 学会発表資料の謝辞にお名前掲載
  6. 研究報告レポート(PDF版)
100000

私たちの研究室をご案内いたします。実験材料を用いたデモンストレーションの見学や光熱変換材料に関する説明をさせていただきます。日時は相談のうえ決定し、場所はつくば市を予定しています。ご参加をお待ちしています! ※どうしてもご参加いただけない場合には、skype等のビデオ通話で意見交換をさせていただきます。 Invitation to a lab tour at our institute in Tsukuba, Japan. Transportation expenses are not included.

現在、1人のサポーターが支援しています。

(数量制限無し)

このプロジェクトは、
2019年03月20日 19時00分までに目標金額 400,000円を達成した場合のみ、決済が確定します。

お支払について

academistでのお支払はクレジットカード(VISA, Mastercard)をご利用頂けます。

Available cards

銀行振込をご希望の方は、こちらのフォームよりご連絡ください。

セキュリティについて

当サイトはSSL暗号化通信に対応しておりますので、入力した情報は安全に送信されます。
1,000円 (税抜)
  1. 研究報告レポート(PDF版)

1000

16人が支援しています。
( 数量制限無し )

5,000円 (税抜)
  1. 学会発表資料の謝辞にお名前掲載
  2. 研究報告レポート(PDF版)

5000

6人が支援しています。
( 数量制限無し )

10,000円 (税抜)
  1. サイエンスカフェ参加権
  2. 学会発表資料の謝辞にお名前掲載
  3. 研究報告レポート(PDF版)

10000

6人が支援しています。
( 数量制限無し )

30,000円 (税抜)
  1. 材料
  2. サイエンスカフェ参加権
  3. 学会発表資料の謝辞にお名前掲載
  4. 研究報告レポート(PDF版)

30000

5人が支援しています。
( 数量制限無し )

50,000円 (税抜)
  1. 論文謝辞にお名前掲載
  2. 材料
  3. サイエンスカフェ参加権
  4. 学会発表資料の謝辞にお名前掲載
  5. 研究報告レポート(PDF版)

50000

0人が支援しています。
( 数量制限無し )

100,000円 (税抜)
  1. 研究室見学ツアー
  2. 論文謝辞にお名前掲載
  3. 材料
  4. サイエンスカフェ参加権
  5. 学会発表資料の謝辞にお名前掲載
  6. 研究報告レポート(PDF版)

100000

1人が支援しています。
( 数量制限無し )