──従来に比べて2倍の効率を達成する熱電変換材料を開発されたそうですね。熱電変換というのはあまりなじみがない言葉ですが、どういうものでしょう？

山中：あらゆる固体には、両端に温度差を付けると起電力（電流を流し続けようとする力のことで、単位はV（ボルト））が生じるという性質があり、これを「ゼーベック効果」と呼びます。どんな材料にもゼーベック効果はありますが、私たちの身の回りにある鉄などの金属では、1度の温度差で数マイクロボルト程度にしかなりません。温度計などには一部利用されていますが、発電に使えるほどではまだないのです。ゼーベック効果自体は1800年代前半に発見されましたが、実用的な発電を行うにはまだ材料が追いついていないのが現状です。

──発電にはまったく使われていないのですか？

山中：コストを度外視してもよい分野では実用化されています。例えば、深宇宙への探査機です。深宇宙では太陽光で発電ができないため、原子力電池で必要な電力を得ます。熱源となるのはプルトニウム238で、この物質を固めておくと1000度くらいの熱が発生するのです。宇宙空間は絶対零度近くになりますから低温と高温の温度差が十分にあり、熱電変換材料を間に挟んでおけば発電が行えるというわけです。いわゆる原子力電池と呼ばれているものはこのような仕組みで熱電変換を行っています。

このほか、腕時計用電源は発電量が少なくて済むこともあり、すでに製品化されています。この場合は、体温と外気温の温度差を利用するわけです。

ちなみに、ゼーベック効果とは逆、つまり電気をかけると温度差が生じる「ペルチェ効果」は実用化が進んでおり、身近なところではCPUの冷却などに用いられています。コンプレッサーのように大がかりな仕組みを使わなくとも冷却が行えるため、今後ますます応用範囲は広くなっていくでしょう。

──従来の熱電変換材料は、どれくらいの性能だったのでしょう？

黒崎：その前に、熱電変換材料を評価するための指標について説明しておきましょう。熱電変換の性能評価には、ZTという値が使われます。

ZT＝S²σ/κ×T

Sはゼーベック係数で、1度の温度差がある時に生じる起電力の大きさです。σは電気伝導率。材料の内部抵抗が高いと、外に電気をうまく取り出すことができません。S、σが高いほどよい材料ということになります。一方、分母のκは熱伝導率です。熱伝導率が高いということは、材料の温度がすぐ均等になってしまいますから、熱電変換材料には不向きということです。Tは、絶対温度を示します。

要するに、起電力が大きくて、電気伝導率が高く、熱伝導率が低い。こういうバランスの取れた材料ほど、熱電変換の効率がよいということになるのです。