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2019-02-22

怖くも胡散臭くもない「イオン液体」を知ろう

化学界ではここ2,30年ほどイオン液体ブームだ。イオン液体は、バッテリーの電解液や反応溶媒などに応用が期待されている新材料だが、畜生なことに同じ新材料でもカーボンナノチューブとかフラーレンとか導電性ポリマーとか超伝導体みたいなものと比べると格段に知名度が低い。学部生だと化学を専門にしていても知らないやつは多い。

イオンってえと、「ゲッ、プラズマクラスターだ、逃げろ!」みたいな反応をする奴がいるが、イオン液体別にニセ科学でもなんでもない。おそらく健康いいわけでもないし、癒やし効果があるわけでも無え。ただの液体だ。あまり身構えないで読んでくれ。

イオンとはなにか

さて、イオン液体イオンからできている液体であることは字面から想像がつく。じゃあイオンとは何か。イオンぶっちゃけ中学理科で習うんだけど、普通は覚えていないだろう。オレだってそうだった。

全ての物質原子分子からできていると考えている人は多い。でも実はイオンという粒子からできている物質もたくさんある。イオンという粒子からできている物質のことを、化学世界では「塩」と書いて「エン」と読む。エンッ!ファッキン紛らわしいことに、料理で使う塩もエンの一種だ。お塩ナトリウムイオン塩素イオンからできている。

イオンとは電荷を持った原子分子のことだ。電荷とは静電気のことで、静電気なのでプラスマイナスがある。プラス電荷を持った原子分子陽イオンマイナス電荷を持った原子分子を陰イオンと言う。「するってえと増田、陰イオンってえのはマイナスイオンのことだな!」と言いたくなる気持ちはわかる。ところがどっこい陰イオンマイナスイオンは全くの別物だ。まあ話が長くなるからそれは置いておこう。別物だとは思っておいてほしい。

なんで静電気を持つのかっていうと、静電気を持ちたがる元素存在するからだ。例えばナトリウムプラス静電気を持ちたがる。原子プラス静電気を持つ原子核とマイナス静電気を持つ電子からできている。原子分子プラマイゼロになっている。プラマイゼロであるナトリウム原子は、例えば水と接触させると、マイナス静電気を持つ電子放出してナトリウムイオンになる。ナトリウム原子空気中の水分とも反応してしまうからナトリウムは通常石油で満たした容器に入れて保存する。この電子放出するという現象は実は酸化と呼ばれている現象とまったく同じなのだが、それは今はいいだろう。とにかく、そのようにして化学反応を通して電子放出してプラス静電気を持ったり、逆に電子を奪い取ってマイナスになったりする原子分子というのは世の中にたくさんある。静電気を持った原子分子、つまりイオンというのはそうやって作られる。

静電気基本的性質として、プラス静電気を持ったものマイナス静電気をもったものは引っ張り合い、マイナスマイナスは反発し、プラスプラスも反発するというものがある。しらなかった人はそういうものだと思ってくれ。髪の毛で下敷きを擦ると髪の毛が下敷きにくっつくのは、下敷きがマイナスで髪の毛がプラスになるからだ。ちょうど磁石のNとSが引き合い、NとNが反発し合うのと同じような感じだ。

プラスプラスは反発するのだから陽イオンばっかりを集めて物質を作ることは、少なくともビーカーの中では不可能だ。普通陽イオンの周りは陰イオンが取り囲んでいるし、陰イオンの周りは陽イオンが取り囲んでいる。塩(エン)に含まれる陰イオン陽イオンの数は1対1になる。陰イオンが1万個あったら陽イオンも1万個ある。もっとも60グラム食塩には陰イオン陽イオンがそれぞれ約6000垓個も含まれている。ガイだ、ガイ。兆の次が京、京の次が垓だ。そんなにたくさんあるので厳密に1対1かどうかはオレは知らん。

話が長くなったが、プラス静電気を持った原子分子陽イオンと呼び、マイナス静電気を持った原子分子を陰イオンと呼ぶ。また、陽イオンと陰イオンが1対1の比率で集まってできている物質を塩(エン)と呼ぶ。塩(エン)の代表例には、塩化ナトリウム食塩)や塩化カルシウム融雪剤に使う)、水酸化ナトリウム石鹸の原料でパイプユニッシュ有効成分)なんかがある。カメラ趣味の人は蛍石レンズなんかを使うかもしれないが、蛍石というのもフッ素イオンカルシウムイオンから構成される塩(エン)だ。薬を飲む人は、ナンチャラ塩酸塩みたいな名前の薬を摂取するかもしれないが、あれも塩(エン)の一種だ。基本的には、塩(エン)にすると水に溶けやすくなるし長持ちするようになるから医薬品には塩(エン)が多い。

・液体の塩

例としていろいろ塩(エン)を上げたが、コイツらには共通する特徴がある。結晶が白い。まあそれもそうだ。叩くと割れる。これもそうだ。岩塩とか割れるもんな。叩くと割れ性質は「へき開性」っつって中学校か高校で塩(エン)の特徴として習ったはずだ。普通忘れてるけどな。そういうのも重要な特徴だが、ここではもっと別のことに気づいてほしい。今あげたような塩ってえのは、全部常温で固体なんだ。

多くの物質は、アホみたいに加熱してやれば液体になる。鉄だって溶鉱炉ではどろどろに溶けるだろう。ココナッツオイルは人肌くらいで溶けるし、氷は極めて不思議な事にピッタリ0度で溶けて水になる。複雑な構造を持った有機物は加熱すると溶ける前に分解して別の物質なっちゃうが、分解しない物質は加熱してやればかならず溶ける。

もちろん塩(エン)も例外ではない。でも、塩(エン)は溶ける温度がメッチャ高い。例えば、食塩(塩化ナトリウム)の融点は800度だ。水酸化ナトリウム融点ちょっと低めの318度。塩化カルシウムは772度。蛍石融点は993度。溶鉱炉レンズを落としたら諦めよう。とにかく、塩と呼ばれる物質融点が高い。普通は700度くらいだ。ご家庭では溶かすことはできないだろうし、そこまで融点が高いと、液体の状態でなにかに応用することはかなり難しい。

なぜ融点が高くて溶けにくいのかといえば、イオン静電気を持っているからだ。水とかアルコールみたいな静電気を持っていない分子からできている物質は、静電気を持っていないので熱を加えてやるとすぐに分子分子がはなれて液体になる。液体とは、分子分子が熱のせいで離れてしまって結晶を作れない状態だ。どっこいイオンは、静電気が働いてプラスマイナスで引き合ってしまうので、アホみたいに熱をかけても結晶構造が壊れずに固体のままだ。びくともしない。

化学世界では、塩は融点が高いというのが長い間常識だった。ところが、100年ほど前に、12度で液体になる硝酸エチルアンモニウムという物質発見された。何を隠そう、コイツこそがイオン液体なのだイオン液体とは、融点が100度以下の塩(エン)のことだ。100年前に発見されたときはなんの役に立つか不明だったので世間からアウト・オブ・眼中だったが、ここ数十年でまたブームが来て、研究が盛んに行われている。おそらく電気自動車とかモバイルデバイスに使うバッテリーに応用ができることがわかってきたからだ。

イオン液体はなぜイオン液体になれたのか

なぜ食塩蛍石は1000度近くまで加熱しないと液体にならないのに、イオン液体は100度前後で液体になるのか。それは、イオン構造が違うからだ。

例えば食塩は、塩素イオンナトリウムイオンからできている。コイツらはかなり小さいイオンだ。水兵リーベ僕の船、七曲りシップス・・・というのを覚えさせられて、なんだったんだよあれと思っている人は多いハズだが、あれを思い出してほしい。がんばって覚えたアレが役に立つときが今来た。まずはナトリウムだ。H He Li Be B C N O F NeNa・・・あった!11番目だ。元素120番くらいまで発見されているから、11というと結構前の方だ。前の方っていうとどういうことかっていうと、原子が小さいということだ。周期表の前の方の奴ほど原子が小さい。それを考えると、ナトリウムはかなり小さい元素だということになる。ついでに塩素も見てみよう。 H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Clあった。Cl塩素だ。塩素英語でクロライン。だから元素記号は頭文字をとってClだし、炭素塩素が3つついた物質のことをクロロホルムと言う。それはそうと塩素17番目だ。これもかなり序盤で出てくる元素だ。つまり原子が小さい。原子が小さいってことは、イオンになっても小さままってことだ。

イオンが小さいとどうなるのかってえと、他のイオンと、より強力にくっつくようになる。よくわからない人は磁石想像してほしい。小さいイオンはむき出しの磁石、でかいイオンは周りが分厚いプラスチックでコーティングされた磁石だ。どっちがくっついてしまったとき引き剥がすのが難しいか?もちろんむき出しのほうだ。むき出しのネオジム磁石が2個くっついちゃった日には全然取れないよな。ムカつくぜ。

自然界に溢れている身近な塩(エン)は、小さいイオンから構成されるものばっかりだ。だから融点がクソ高い。1000度近くまで熱しないと溶けない。

じゃあさ、じゃあだぞ。人工的にメッチャでかいイオンを作ったら、融点もっともっと下がるんじゃね?この発想で、ここ数十年でどんどん融点が低い塩(エン)が作られた。うまいこと行って融点が100度を切ったものは見事「イオン液体」の称号が与えられた。

人工的にデカイオンを作ると言っても、別にそんなにすごいことではない。ナトリウムイオン塩素イオンなんかは一つの原子イオン化したものだが、世の中には分子イオン化したものというのが存在する。先程言った医薬品塩酸塩というのもそれだ。だったらデカ分子イオン化してやればいいだけだ。イオンといってもビーカーで作れるような大したことないものだ。ビームレーザー電磁波超伝導コイルも使わない。ちゃんイオン液体が合成できたか確認するとき電磁波超電導コイルを使うがそれはまた別の話だ。基本的には混ぜるだけで作れる。

デカイオン融点が低いとは言ったが、デカけりゃデカイほどよいというものでもない。デカすぎると、静電気以外にもまた別の力が働いて固体になっちゃう(ファンデルワールス力といって、高校で習った人も多いだろう)。だから、ちょうどいい大きさというのが重要だ。具体的に言うと、ベンゼンくらいの大きさがちょうどいい。まあ炭素6個分くらいだ。デカさ以外にも融点を決める要因はいろいろあるが、余白が足りない。

イオン液体って何に使えるの?

イオン液体は、わりと特殊性質を持つ。それらの特殊性質のすべては、「イオン液体が陰イオン陽イオンからできているから」という理由で全て説明がつく。

まずひとつイオン液体全然蒸発しない。マジで蒸発しない。全然だ。厳密に言うと全く蒸発しないわけではないらしいが、ほとんど誤差レベルしか蒸発しない。だから防毒マスクを付けないで扱っても安全だ。これは保証しよう。蒸発しないから吸い込むことすらできない。蒸発しない理由簡単で、イオン蒸発しようとすると静電気が働いて蒸発しようとしたイオンを引っ張るからだ。静電気で引っ張り合っているからどう頑張っても蒸発することができない。まあ塩(エン)が蒸発しないことは、食塩とか重曹匂いがないことからもわかっていただけるだろう。

蒸発しないと何がいいのかっていうと、宇宙で使うことができるということだ。宇宙真空から普通の液体はすぐに蒸発してなくなってしまう。でもイオン液体蒸発しない。だから、例えば宇宙船の可動部に塗りたくる潤滑油として使うことができる。

もうひとつ。まったく燃えないというのもデカい特徴だ。マジで燃えない。燃えない理由簡単で、蒸発しないからだ。蒸発しないか燃えない。それだけの話しだ。有機物燃え現象というのは、有機物が気化したもの燃えているだけに過ぎない。アルコールを燃やす一見液体が燃えているように見えるが、実際は液体から気化したアルコール分子燃えているだけだ。液体自体は燃焼を起こさない。イオン液体は気化しないか燃えない。簡単な話だ。もし我がラボ燃えたらイオン液体ぶっかけて消火しようと企んでいるのだが、今の所火災はない。喜ばしいことだ。難燃性だと何が良いかというと、バッテリーの電解液に使うことができる。バッテリーの電解液は普通有機溶媒でできている。有機溶媒はメッチャ燃える。だからスマホとかモバイルバッテリー燃えるし爆発する。一方でイオン液体燃えいから、イオン液体バッテリーを作れば燃えないバッテリーがいっちょ上がりだ。もちろん実用化の上で課題は多いから、もっともっと研究必要だ。

さらに一つ。電気伝導度が高い。液体なのに電気を通す。だから同じくバッテリーの電解液に使えるんじゃないかと言われている。

仕上げにもういっちょ。イオン液体静電気を持つイオンからできているから、水とかアルコールとかアセトンとかテトラヒドラフランとかヘキサンみたいな普通の液体とは根本的に違う。だからイオン液体の中で化学反応を起こせば、普通の液体では起こらなかったスゴい特殊化学反応が起こせるかもしれない。普通の液体を使ってメッチャ手間暇をかけて合成していた医薬品プラスチックなんかが、イオン液体を使えば一発で作れる可能性があるかもしれない。イオン液体しか起こせない反応というのも結構報告されているし、オレの専門もイオン液体を使った新しい反応を開発することだ。

この通り、イオン液体結構使えるシロモノだ。でも、研究が十分に進んでいるとは言えない。もっともっと研究が進んで、イオン液体実用化されて、お薬がちょっぴり安くなったり、スマホがちょっぴり軽くなったり、モバイルバッテリーが爆発しなくなったりすると良いなあと思っている。名前だけでも覚えてくれたら幸いだ。

2015-08-05

わかめ(作業員一人死亡一人やけどで軽傷@8月4日)

核融研によると、火災が起きたのは、高温のプラズマを封じ込める電磁石を冷やすヘリウムを扱う装置

核融合科学研究所では我が国独自アイデアに基づいて、ねじれたドーナツ形状の磁場超伝導の電磁石で作り、これによって超高温のプラズマを閉じ込める研究を行っています(図1)。これが大型ヘリカ装置(LHD)です。

高温プラズマは、そのままで拡散し容器壁などに触れてエネルギーを失ってしまます。 そこでプラズマを高温・高密度の状態で閉じ込めて核融合反応を起こさせるために、磁場を用いる方法と強力なレーザーを利用する方法提案されています磁場閉じ込め方式は、電気を帯びたプラズマ粒子が磁力線に巻き付いて運動するという性質を利用したもので、 磁力線で編んだ籠状の磁気容器内にプラズマを閉じ込める方法です。 この方式にも磁場の形状によりいくつかの種類があり、本研究所で進めているヘリカル型のほかに、トカマク型、ミラー型などがありますレーザー光を利用する方法は、慣性閉じ込め方式と呼ばれ、強力なレーザー重水素三重水素の氷塊(ペレット)に照射して瞬間的に核融合反応を起こそうというものです。

2015-08-03

http://anond.hatelabo.jp/20150803012604

返事ありがとうございます数学出身なので物理事情に疎く参考になります。今後も色々な所で書いていただければと思います

トンデモ扱いと言うのは、ツイッターなどで見かける核融合核分裂などへの、研究者の反応を指していました。

個人的にはあり得るのではと思う事を、研究者の方は余り相手にしていないのを見かけるのと、話題すらなってないことでもまだまだ応用の可能性があるのではと感じてます

QCD計算が大変ということで難しいからそう簡単に言及できないということなのかもしれませんね。

物性や量子化学辺りは今後やっていきたいと思ってるので人が多いのは知っていますが、「物理理論」というのから省いていました。

素粒子論は加速器などの大きな研究所があるので結構人数が多いかと思っていましたが、全体からするとかなり少ないのですね。

大半が素粒子論を研究しつつ加速器実験もしているのかと思っていました。CERNの人たちも加速器実験研究者ということなのですね。

個人的特に見ている量子化学周辺は余り量子場は(相対論も)使ってないようですが、物性の本に量子場の応用をテーマにしたのがそういえばあったように思います。まだ勉強してませんが。

ニュートン日経サイエンス物理記事結構読んでますが(特に特集は)素粒子関連がかなり多いですね。もっと物性などを取り扱って欲しいですね。個人的QCDをやる予定はないので、素粒子現在関心が低めです。

量子光学関連や超伝導関連のクーパー対を観測したなどはそういえば結構見かけますね。

http://anond.hatelabo.jp/20150803003905

うーん。。。おっしゃっていることがよくわからないのですが、一つずつコメントしてみます

意図を汲みとれていなかったらすみません

QED原子核辺りでももっと色々地道な計算してみるべき事があると思うけど、素粒子論をやってる人たちはその辺基本スルー(むしろトンデモ扱い)しているように思う。



そんなことないです。トンデモ扱いというのは聞いた事がないですね。

まず、QED普通に素粒子分野です。

QEDから標準理論のほころびを探す研究としては g-2 の計算があったと思います

それから原子核は「原子核理論」の人たちが専門ですが、最近素粒子理論(格子QCD)の人たちも研究を進めています

QCD摂動計算が使えないのでスパコン頼みになってしまます

素粒子理論から直接、原子核研究できるようになって来たのはここ数年の話です。

別にスルーしているのではなく、やりたいのはやまやまだけれども難しくて出来ないといったところです。

物理理論に関しては、超弦理論素粒子論(標準理論)に偏り過ぎかなと思う。

量子力学範囲で、レーザー半導体など応用があるように、量子場の領域にも様々な実用的応用があるように思うのだが。



これは何か誤解があるように思います

素粒子分野の研究者はほんの一握りしかいません。

物理学ほとんどの分野が物性物理です。(参考:http://div.jps.or.jp

そして物性理論の多くの分野では場の理論量子力学を使っています

彼らにより薄膜、超伝導半導体など実用的な研究がされています

素粒子分野はニュートン日経サイエンスなどの一部メディア露出度が高いので誤解をされたのではないでしょうか?

素粒子論をやってる人たちは、加速器データ処理などが業務の大半なのでしょうか?


それをしているのはおそらく加速器実験の人たちでしょうね。素粒子理論ではありません。

2015-07-22

西伊豆感電事故の状況が多少分かったのでブコメに突っ込んでみる

http://anond.hatelabo.jp/20150720190643の続編。

電気屋的にはNHKニュースhttp://www3.nhk.or.jp/news/html/20150722/k10010162021000.htmlでほぼ完結で特段疑問は残らないんだけど、ブコメ

http://b.hatena.ne.jp/entry/www3.nhk.or.jp/news/html/20150722/k10010162021000.htmlを見ると結構勘違いしている人が多いようなので多少フォローしてみる。

さらい・なんで人が死んだの?

電気さくではなかったからです。

法令定義されている電気さくではありませんでした。今回の事故の原因となったブツは「交流を流しっぱなしにしてある裸電線」です。

前回書いた平成21年淡路島で起きた死亡事故電気さくの事故でなく「100Vの電気が剥き身で流れている電線」の事故でした。

今回はさらにその上を行く「400Vの電気が抜き身で流れている電線」での事故です。

ツッコミその1:何アンペア電流だったのかって何か大事ことなの?

いいえ。ほとんど何も関係ありません。

前回も書いたとおり、人間感電死する場合、胸部を通過した電流が心筋を誤作動させて心臓を止める、というのが圧倒的1位です。

この時に必要電流値はというと0.1ミリアンペア程度です。理科実験で作ったレモン電池(いまでもやるのか?)程度の電気でも、体内の心臓のすぐそばに電極設置して流せば人は死にます

じゃあなんでレモン電池に触っても死なないかというと、電圧が低くて、それなりに電気抵抗の高い皮膚を突破して体の内部まで電気を流す力がない、というのが一番簡単な説明です。ですので、電流電流とうるさい人たちが批判している、電圧の方を気にした報道の方が、相当に理に適っていると言えます(最初に100Vが流れていたとか飛ばし記事書いたどこぞの新聞、オメーはアウトだ)。

市販の電気柵って4000V使ってるって聞いたけど、それは電流制御してるから安全なの?

いいえ。電気さくに触っても死なないのは電流制御とは別の方法です。というか電流値をそんな高度に制御できたら苦労はないというか次の開発機で頼みたいことあるから連絡よこしやがれ下さい。

報道でも何カ所かで説明されているとおり、市販の電気さくは

「0.9997秒ぐらい電気が流れてない時間→0.0003秒ぐらい4000Vの電気が流れる→0.9997秒ぐらい電気が流れない時間→……」

の繰り返しで動いています

前回貼った基礎資料https://nippon.zaidan.info/seikabutsu/1999/00268/contents/039.htm

最初に、『表4.1.2 電撃時間に対する危険接触電圧危険電流』が掲載されています

見ると分かるとおり、感電危険さは、電流値そのものだけでなく、電気が流れる時間にも大きく左右されるのが分かりますね。

市販の電気柵がショックだけで済む最大の理由は、電気がこんな短い時間しか流れてないからです。電流値とか関係ない。そりゃ4000Vだから、瞬間的には100mAとか1Aとかの、ずっと流れていたら人が死ぬぐらいの電気は流れますよ、そりゃ。普通に売ってる市販品で0.0003秒しか流れない電流値を制御するとか無理の無理無理です。

逆に言うと、今回の事故は「400Vの電気がずーっっと流しっぱなしになっていた」から起きた事故です。電流とか、さらに何一つ関係ない電力とかを気にしてるブコメ貴様の知ってる電流制御方法をよこしやがれ下さいお願いしますと言う感じです。

繰り返しますが、人が感電死ぬのは大火傷するような大電流が流れたような大事故でないかぎり、心臓近くに電気が通って心筋が誤作動してしまたからです。それを引き起こすのは大電力ではありませんし、大電流でもありません。そんな深いところまで電気を届けるだけの高電圧か、あるいは人体の電気抵抗の低下です。

今回は「400Vという高電圧」と「水場で体が濡れて電気抵抗が下がっていた」の合わせ技で起きた悲劇とみるのが普通です。

多少分かってる人向け、なんでブレーカー落ちなかったの?

今回のような感電事故では、普通ブレーカー(やヒューズ)は役に立ちません。普通ブレーカーの役目は大きく二つ、

電気の使いすぎの防止」と「短絡事故ショート)が起きたとき遮断」です。

電気の使いすぎ、というのはよくあるエアコン電子レンジを同時に入れるとブレーカーが落ちる、という奴ですね。電気電線で運ぶのですが、電線超伝導ではないので抵抗があり、電流を流すと発熱します。流れる電流が増えれば増えるだけ発熱し、最終的にはどっかで発火するか溶着するかします。

短絡もほぼ同じですね。コンセントの両極を金属(のような抵抗の低い物)で直結するととんでもない大電流が流れるので、遮断しないとさらに大変なこと(最悪、電柱の上のトランスが焼けるとか)になります

ブレーカーの動作電流は様々ですが、基本的には一般家庭向けの契約だと最小10Aなので、これだと人を何回も殺してお釣りが来ることになりますブレーカー感電事故を防ぐことは望み薄です。

感電事故を防ぐ上でもう少しアテになるのは漏電遮断器です。現状、新築の家であればホーム分電盤は大抵は漏電遮断器がついてて、30mAとか15mAの漏電が起きると止まることになっています

ですので、仮に報道の通り、100Vのコンセントに400Vに電圧上げるためのトランスが直結されていたとしても、本当なら30÷4や15÷4で7.5mAや3.75mAの漏電で作動する、はずです。このぐらいの電気ではなかなか人は死なない、はずです※。

パターンか考えられることはあります

  1. 漏電遮断器が付いてなかった:個人的には最有力候補。今でも漏電遮断器がついてない家はゴロゴロしています
  2. 漏電遮断器が付いていたが動いてなかった:個人的には次点。漏電遮断器というのは結構デリケート部品で、経年劣化します。で、劣化した場合に頻繁に誤作動する方向に行ってくれたらまだ「じゃあ取り替えようか」となるんですが、逆に「漏電してても全然作動しない方向」に劣化するのもよくある話です。
  3. 400Vに昇圧するためのトランスが絶縁トランスとして機能していた:これは「原理上は起きる」という話なんでたぶん関係ないと思ってます。一応説明すると…長いのでやっぱり止めます部分的に説明してるブログとかあるけど、本当は漏電遮断器の動作原理をきちんと説明する必要があるので長杉。

※なお漏電遮断器が本当に人命を守るための機器かというと微妙な部分もありますが、そこ書いてるとやっぱり長くなるので省きます

余談・一部ブコメにあるスライダックって何?

今回の事件にはまず関係ありません。終わり。

技術的に言うと単巻トランスの一種です。出力電圧連続的に変化させることが出来て、交流を使った実験をやるときにはとても便利です。うちにも何台かあります

で、「電圧を変えることが出来る」という文言だけ見て勘違いした人がいただけでしょう。普通スライダックは100V入力でも上限電圧はせいぜい130Vぐらいです。100V入力して400V出て来るとかそんなスライダックがあったら便利だからよこしやがれ下さい。

あの文言を見た電気屋が普通に連想するのは

「2次側(いや実は1次側かもですが)に複数の端子がついていて、どこに繋ぐかで出力電圧が変わる」というよくあるマルチタップトランスでしょう。

余談の余談ですが、スライダックというのは本当は(今話題の)東芝商品名だったんですが、現在は製造されてません。ですが、『出力電圧連続的に変化させられる摺動型単巻トランス』のことはみんながみんなスライダックと読んでて違う呼び方してる人に遭遇したことはないです。

2013-06-21

夢の技術へ向かって

エネルギー分野での、夢のような技術といえば、今のところ次の二つではないでしょうか。

核融合エネルギーを利用した発電システム

超伝導技術を応用した高効率送電システム

原発再稼働は容認できませんが、これらの研究は進めてほしいと思っています。もちろん、もんじゅなんかはすぐにやめて。

http://www.yomiuri.co.jp/national/news/20130621-OYT1T00182.htm

もちろん、放射線物理学でも、もう今の原発システムなんか見てないと思います。それをアピールすればいいのにって思いますが、実際は変わってないってこと??

2012-07-18

そもそもなんで超伝導を酒で煮ようと思ったのか/学会で聞いたこと

「なぜ 酒で煮ると超伝導物質に変わるのか?」

http://www.nims.go.jp/news/press/2012/07/p201207130.html



ブコメでなぜお酒を煮ようと思い立ったのか、疑問に思う声が多くあって、たまたま知っている立場なので書いてみた。

2年くらい前に学会で聞いた話であって、関係者ではないです。

Fe(Se,S)という物質は作った直後は超伝導体ではない。

ところが空気中で放置すると、超伝導化する、というのがこの物質の特徴だった。

しかも、時間がたてばたつほど、少しずつ超伝導がよくなる、ということもわかった。

1ヶ月たってもまだ超伝導はよくなり続けた!

1年たってもまだ超伝導はよくなり続けた!

どこまで変化し続けるの?どうして空気中で超伝導がよくなるの?ということが疑問だったが、

変化がとても遅いことがボトルネックだった。

そこで、この変化を促進させる必要があった。(←ここがポイント

そら最初は、水に直接つけるところから始まったと思う。

実験室にありふれているエタノールで試したりもした。

そういう試行錯誤のなかで、ビールワインなども試してみた。

結果、不思議なことに、赤ワインが最も超伝導をよくすることがわかった。

しかも高級なやつよりも、サントリーの「彩食健美」がよいとも言っていた。

白ワインよりも、ぶどうジュースよりも、水とエタノールの同じ混合割合のものよりも、

赤ワインは優れていた。

ではなんで赤ワインがいいの?ということになって、

今回のプレスリリース「キレート効果を持つ有機酸などが余分な鉄を除去」につながっている。

余分な鉄、っていうのが超伝導に悪さしていた、っていう理解だ。

空気中で超伝導がよくなる件については、たぶん余分な鉄と酸素が結合して酸化鉄をつくって、Fe(Se,S)という超伝導体の本体から析出したのではないかと推測する。

そのへんは論文を読んでみないとわからないけども。

「酒で煮る」っていうのは、反応温度を90℃くらいでキープした、という意味だけども、

これは温度が高いほうが反応が速くなるから

室温でも時間はかかるが、起こることは同じだと思われる。

2011-09-29

大学物理学科について急に語りたくなったので語る。

なんか、誰の役に立つの分からんけど、私が高校生の頃にこういう説明があったら良かったなぁ……とふと思ったので書いてみた。

さて、大学理学部物理学科に入学するとしよう。基本的に物理学科は、専門が進んでいくと、

この2系統x2分野で、4カテゴリだけに全てが収められる。意外に思われるかもしれないが、私も当時(学部3年頃)びっくりした。本当にこの4つしかない。

理論実験

まず理論系と実験系だが、その名の通り。理論系に進むと実験はやらずに、ひたすら理論だけ。本当に紙と鉛筆だけで物理モデルと数式を弄るだけのツワモノもまだいるけど、最近は、第一原理計算などのコンピュータシミュレーションも多い。

一方実験系に進むと、元旦液体窒素を汲んで延々と真空ポンプのお守りをしたり、「吸い込むと死ぬ」「空気に触れると爆発する」とかナチュラル危険すぎるガスをぶぉんぶぉん基板に吹き付けたり、TEM(透過型電子顕微鏡)の試料作成と軸合わせに12時間かけたあとに休憩も取らず深夜3時から測定開始したりする。要するに不死身であるしか給料ももらわずに学費を払ってこれをやるのだから真性マゾである。……話がそれた。

大学院進学の際、実験系には希望すれば誰でも進めるが、理論系へは相当の能力(とりあえずはテストの成績と言って良い)が無いと進むことはできない。まぁ学部3年くらいになれば、物理ができるヤツと物理ができないヤツの本質的な差が自他ともに見えてくるので、みんな自分がどっちに進むべきかはおのずから悟って判断する。そのため、「理論系に進みたかったけど成績が足りずに不本意ながら実験系に行った」って人は、実はほとんどいない((が、一部の実験系の人はやはり理論系の人にコンプレックスを持っており、理論の人を揶揄する実験系の人も時々いる。そういう人は学生時代はあまりそれは出ず、准教授教授クラスになってそうなる人が多い))。私の周りでも、理論系に行った人たちはやはり「天才」と呼べるだけの圧倒的物理センスを持っている人ばかりだった。

なお、実験から理論系へ、または理論から実験系へ移る人も、滅多にいないがいる。そういう人はものすごい変人か、ものすごい優秀かである。もちろん、変人かつ優秀の場合も多い。

物性と素粒子

先ほど言ったように、物理学科ではこの2つの分野しかない。意外だろうけどそうなのである

物性物理学は、モノの性質を「なぜだろう」と問う学問である(と思う)。例えば物性理論の第一原理計算では、「なぜ銅は銅としての性質を持つのか」を、原子番号の29という数字だけ入れて作り上げようとする。一方、物性実験系だった私は、毎日毎日ひたすら真空ポンプのお守りをしながら、ナノ微細構造作成とその電気特性を測定していた((今日作成温度500度、明日は550度、明後日は600度……お、550度が一番いいな。みたいな))。その他、金属半導体、光デバイス、磁性や超伝導電磁気的性質、まぁそのへん全部物性系である。応用例も広く、就職比較マッチングしやすいので、物性実験系が物理学科のもっともスタンダードな専門となる。

一方、素粒子は毛色が違う。「素粒子」と「原子核」で分ける人もいるけど、面倒なので一緒にする。有名なところでは加速器をやってる人たち。高エネルギーと呼んでいる大学もある。要するにモノの性質を問うのではなく、モノを作っている原子の中身とその構造を追っていく学問だ。クォークニュートリノグルーオンなどSF好みな題材が多い。素粒子は物性と違い、その経験を活かして就職しようとしても口が少ないため、アカポス狙いになってなかなか難しい。ただ、学部卒や修士卒で就職するつもりで専門に拘らないなら、分野なんて全然関係ないので気にしなくていい。素粒子から普通にリクルート電通化学企業なんかに行った人はいっぱいいる。しか博士課程に行くと……ポスドク地獄まっしぐらが待っている、気をつけよう。

宇宙論は?

みんな大好き宇宙論は、宇宙地球科学科が無い大学だと物理学科の素粒子に繰り込まれてしまう。高エネルギーとか場の理論とかになると、どうしてもそちらなので。

なお、物理学科に入る人で「宇宙論やりたい」って人はたくさんいるけど、講義が進んで悪魔テンソル計算が山のように出てくると、多くの人が挫折してむしろ宇宙論が嫌いになってしまう。足の上げ下げ、共変・反変、今思い出しても夢に見そうだ。

2011-04-01

原発廃止派に知って欲しいエネルギーの話

原発廃止派に、原発を全部いきなり止めてそれで必要だった電力はどうするの?と聞いても、「再生可能エネルギーがー」といった具合に、"新エネルギーがいきなり原子力を置き換える"と思ってる人がいます。

エネルギーを役立てるには必要な前提がいくつかあります。なぜ必要なのかを理解するためには、知らなければいけないことがいくつかあるので、それをまとめてみました

曖昧表現や間違っている部分がある可能性や、将来の展開について個人的な想像が含まれていることをお断りしておきます

(それは違うだろ、という点があればトラックバックで補足してもらえればと思います)

電気はそのままでは貯められない

現在、実用レベル電気を貯められるのは水力だけ。

水力は電気が余って捨てられている夜間に水をくみ上げて位置エネルギーに変換し、昼間のピークに放出している。水力が他の発電と比べて優れているのがこの"位置エネルギーに変換し、必要な時に即座に生産できる"ところ。

しかし、水力発電に伴うダム建設には環境破壊など大きな問題がある。貯められる電力という水力と同じポジションを担う発電、送電、蓄電技術が今後重要になる。これについては後述する。

調整できる発電と調整できない発電

原子力発電は大きな発電力があるが、ほとんど調整がきかない。火力発電は原子力発電に比べればずっと調整がきくが、それでも出力を変化させるとロスが大きくなる。これら二つは、変化が少ないかわりに大きく安定したベース電力を得られる発電方法といえる。

逆に水力発電は、さほど大きな発電量は見込めないが、位置エネルギーに電力を変換し必要な時に放出するピーク電力対策に優れた発電方法といえる。

現代の発電は、このベース電力とピーク電力対策を組み合わせて需要対応している。

何故ベース電力とピーク電力対策が必要なのか

夜間は電力が捨てられて、昼間は電力が足りない。

電力の需要量は、時間に応じて夜間は低く昼間は高くやまなりの曲線を描いている。仮にベース電力だけで全てを供給すると、ベース電力の必要量は需要のピークに合わせなければならない。需要の谷にあるときには、必要量を発電量が上回った分がそのまま無駄になることになる。

そこで、水力発電のような"夜間のあまった電力を一度保存し、ピークのタイミング生産できる"補助があれば、ベース発電の出力をピークにあわせる必要がなくなる。結果的に無駄にする電力が減り、必要な総発電量も減る。水力発電は少ない発電量しかないが、その特性上見かけよりも必要総発電量の削減に役立っている。

先にも言った通り、ダムを作る事は大きな環境破壊を伴う。いくら水力の貯めができる点や追従性が優れていても、ほいほい増設できるものではない。しかも、火力発電を(ロスを出しながら)調整し、水力発電がフルで頑張っても、夜間と昼間の必要電力のギャップには追いつけない。夜間に大量の電力が捨てられているわけだ。

冬と夏の問題

冬と夏の電力需要にも同じ問題がある。発電所の新設は夏の電力需要のピークを見越して行われる。電力会社が「電力が足りない!新設しなければ!」と言う時、それは「夏の昼間のピークに足りない」ことを示している。

じゃあどうすればいいの?

水力発電の担っている仕事を、企業や個人レベルで行っていく必要がある。しかし、水力なんて大規模なものは普通できない。別の蓄エネルギー方法が必要になる。

現実的なものには氷蓄熱があるだろう。エコアイスと言えば聞いた事があるのではないだろうか。電力会社は数年も前からこの氷蓄熱を普及させるために夜間の蓄熱用の電力を非常に安くしている。

冬と夏の時間スケールでなら、冬の間にためた除雪の山をそのまま夏まで持ち込んで冷房に利用するという手段が北海道では実用化されている。

海外では巨大な電池を設置する例も出てきている。

EUでは時差のある国家間で電力の融通が行われている。そのため、夜間に捨てられる電力は日本に比べて少ない。また、工場の廃熱等で発電する熱→電気の再利用が進んでいる。

日本東西はな南北に長いのでEU間のような時差もピークの差もない。しかも島国なので送電技術進歩しないかぎり隣国と電力を融通しあう事はできない。北海道の電力は余っているが十分に生かされていない。同じく西日本からの変電の問題もある。これらの改善には膨大な金が必要だそうだ。

(送電技術進歩しまくった未来には、電力輸出国がありうるかもしれない。)

個人規模では電気自動車があげられる。夜間のうちに充電できるからだ。ただ電気自動車は高価で、走行条件によっては航続距離が非常に少なくなるなどまだまだ普及するものには思えない。古いクーラー省エネのものに変えていくのは効果があるらしい

もし火力や原発の新設が必要無くなったとしても、原発なくならないじゃないか

その通り。しかし、新エネルギー原発を無くそうといっている人は本気でいきなり代替になると思っているのだろうか?新エネルギーや風力や太陽光などの再生可能エネルギーすぐにはベース電力の代替にはならない。今の技術では、設置コスト生産にかかるコストはもとより、発電量でもベース電力を担うものにはならない。

だけども、新エネルギーが全くの無駄なのではない。新エネルギーは火力や原子力が担うベース電力をいきなり代替するようなものではないが、今の水力が担っているピーク電力を強化することで、結果的にベース電力の必要量を下げ、火力発電所原子力発電所の新設を少なくする可能性がある。

エネルギーが実用化されるとしたら、まずはベース電力の代替ではなくピーク電力の補助ではないだろうか。今後のプロセスは次のようになるのが理想的だと僕は考える。

  1. 蓄熱や雪利用、廃熱利用、送電網の強化などで、夜間や冬季に捨てられる電力を出来るだけ少なくする。
  2. 局地的な電力の融通を行えるようにスマートグリッドの導入と電力自由化を進める。それがあって初めて小規模な新エネルギーが生かせる。
  3. 太陽光発電は昼間に発電するため必然的に電力のピークを補うが、コスト発電効率はまだまだ。しかし開発投資は必要だろう。
  4. 風力発電は充電か蓄エネルギーできる手段とそれをコントロールできるスマートグリッドとセットで導入しなければ十分に生かせない。
  5. これらがピーク電力をカバーすることで捨てられる電力が少なくなり、ベース電力の必要な総発電量を下げる事が出来る。まずは、火力と原子力の新設を止めるのが第一段階だろう。
  6. しばらくはこの段階が続く。
  7. 熱電素子の効率が上がり、廃熱の再利用が低コスト化するかもしれない。
  8. さらに未来に、太陽光や風力発電の発電量と生産コストが今の火力や原子力に匹敵する状態になった時に、徐々にベース電力の置換が行われていく。

参考資料

4/2 追記分

今更ですタイトルはちょっと良くなかった。原発廃止派が余計でした漠然と訴えてる人は廃止派に多いという偏見が確かに僕にあった。ご指摘の通り、極端な推進派廃止派は声が大きいだけで、数で言えば「原発いきなり全部は止められないか現実的に頑張ろう派」「しょうがないと思ってるけど原発はこれ以上増やさない派」「東電政府の問題は追及するけど今安全な原発運用は認める派」のような人達サイレントマジョリティ可能性はあります原発の話題をする時にまず「推進派なのか廃止派なのか」を前提にする今の空気自体が議論を横道に逸れさせるめんどくせー状況を生み出してるともいえそうです。今回タイトル自分がそれを僅かでもやってしまったというのはちょー後悔してます

代替エネルギーについて網羅しきっていない→素人の僕が説明するより資料見てもらったほうがいいと思う。このまとめは"前書き"部分にあたる話だから代替エネルギーやその進歩展望について網羅することはしていない。バイオマスエネルギーの開発状況とそれが発展途上国農業に及ぼす影響、メタンハイドレートは掘れたらすごいけど掘るの難しい国境問題も絡む話、ゼーベック素子の話、超伝導蓄電(これ正直僕は詳しくない)等は調べれば色々出てくるよ。

何れにしても、新エネルギー利用も化石燃料原子力の利用を少なくするのも、エネルギー無駄にしない仕組み→スマートグリッド地域国家間での融通、蓄電技術、熱の再利用などがセットなのは間違いないわけで、その必要性を理解してもらうのに書いたのがこのエントリです

最後

地元から反対されてるのに暴力的な政治力建設してしまうケース、トラブルがあったときの縦割り体勢による不透明さ、フットワークの重さ、補償問題、風評被害への対策…これら社会的な問題は原発技術を認めていても無視してはいけません。

逆に、原発に反対であっても社会的な問題を理由に原発技術面を全く評価しないのは話をややこしくします。技術存在自体が社会的な問題だと捉える人が出てくるからです。そうなると技術不信で一層正確な判断ができなくなり、パニック陰謀論に陥ってしまいます。

原発技術を正しく認める事で、「最新式ならこうできるはずだった」「もっと最善の方法があったのではないか」という人為的なミス運用上の問題が見えてきます

漠然と「原発は安全だ、何故反対するのだ」「原発危険だ、全部信用できない」とならずに、原発社会的な問題と技術的な問題は分けて考えるとパニックにならずに少し落ち着けるのではないでしょうか。

2009-09-19

1990年-25%CO2削減を目指すということ

これらをどう転換するか

後の平成オイルショックである。成功すれば世界でも有数の環境大国になることは間違いない。失敗すれば目も当てられないことになるのは必至。

民主党マニフェスト

29.目的を失った自動車関連諸税の暫定税率は廃止する

【政策目的

○課税の根拠を失った暫定税率を廃止して、税制に対する国民の信頼を回復する。

○2.5兆円の減税を実施し、国民生活を守る。特に、移動を車に依存することの多い地方国民負担を軽減する。

【具体策】

ガソリン税軽油引取税自動車重量税自動車取得税暫定税率は廃止して、2.5兆円の減税を実施する。

○将来的には、ガソリン税軽油引取税は「地球温暖化対策税(仮称)」として一本化、自動車重量税自動車税と一本化、自動車取得税消費税との二重課税回避の観点から廃止する。

【所要額】

2.5兆円程度

42.地球温暖化対策を強力に推進する

【政策目的

国際社会協調して地球温暖化に歯止めをかけ、次世代に良好な環境を引き継ぐ。

○CO2等排出量について、2020年までに25%減(1990年比)、2050年までに60%超減(同前)を目標とする。

【具体策】

○「ポスト京都」の温暖化ガス抑制の国際的枠組みに米国中国インドなど主要排出国の参加を促し、主導的な環境外交を展開する。

キャップトレード方式による実効ある国内排出量取引市場を創設する。

地球温暖化対策税の導入を検討する。その際、地方財政に配慮しつつ、特定の産業に過度の負担とならないように留意した制度設計を行う。

家電製品等の供給・販売に際して、CO2排出に関する情報を通知するなど「CO2の見える化」を推進する。

43.全量買い取り方式の固定価格買取制度を導入する

【政策目的

国民生活に根ざした温暖化対策を推進することにより、国民温暖化に対する意識を高める。

エネルギー分野での新たな技術開発・産業育成をすすめ、安定した雇用を創出する。

【具体策】

○全量買い取り方式の再生可能エネルギーに対する固定価格買取制度を早期に導入するとともに、効率的な電力網(スマートグリッド)の技術開発・普及を促進する。

住宅用などの太陽パネル環境対応車省エネ家電などの購入を助成する。

44.環境に優しく、質の高い住宅の普及を促進する

【政策目的

住宅政策を転換して、多様化する国民価値観にあった住宅の普及を促進する。

【具体策】

リフォームを最重点に位置づけ、バリアフリー改修、耐震補強改修、太陽パネルや断熱材設置などの省エネルギー改修工事を支援する。

建築基準法などの関係法令の抜本的見直し、住宅建設に係る資格・許認可の整理・簡素化等、必要な予算地方自治体に一括交付する。

○正しく鑑定できる人(ホームインスペクター)の育成、施工現場記録の取引時の添付を推進する。

○多様な賃貸住宅を整備するため、家賃補助や所得控除などの支援制度を創設する。

○定期借家制度の普及を推進する。ノンリコース(不遡及)型ローンの普及を促進する。土地価値のみでなされているリバースモーゲージ住宅担保貸付)を利用しやすくする。

木材住宅産業を「地域資源活用産業」の柱とし、推進する。伝統工法を継承する技術者健全な地場の建設建築産業を育成する。

45.環境分野などの技術革新世界リードする

【政策目的

○1次エネルギーの総供給量に占める再生可能エネルギーの割合を、2020年までに10%程度の水準まで引き上げる。

環境技術研究開発・実用化を進めることで、わが国の国際競争力を維持・向上させる。

【具体策】

世界リードする燃料電池超伝導バイオマスなどの環境技術研究開発・実用化を進める。

○新エネルギー省エネルギー技術活用し、イノベーション等による新産業を育成する。

国立大学法人など公的研究開発法人制度改善研究者奨励制度の創設などにより、大学研究機関の教育力・研究力を世界トップレベルまで引き上げる。

46.エネルギーの安定供給体制を確立する

【政策目的

国民生活の安定、経済の安定成長のため、エネルギー安定供給体制を確立する。

【具体策】

エネルギーの安定確保、新エネルギーの開発・普及、省エネルギー推進等に一元的に取り組む。

レアメタル希少金属)などの安定確保に向けた体制を確立し、再利用システムの構築や資源国との外交を進める。

○安全を第一として、国民の理解と信頼を得ながら、原子力利用について着実に取り組む。

2008-02-26

もしも魔の手が伸びてきたなら

全力をもっておやつクッキーを死守するのだ。

貴方が池に落としたのはこのびしょぬれのクッキーですか?

それとも、こっちのチョコチップ入りのクッキーですか?

やつはとんでもないものを盗んで行きました。

それは、貴方のみみかきです。

やや、それは伝説の中でのみ存在するはずの黄金の乾電池!?

ひかえい、ひかえい!

この伝導性能の前にかなうのは超伝導のみ!

そうか!

今、点と点がつながって一つの線に!

手がかりはそろい、すべての謎が明らかになった。

いよいよ最終決戦だ。

野郎ども!

靴下は毎日洗濯しとけよ!

2007-01-30

仲間内だけでしか通用しない言葉を嬉々として使っている奴らが気持ち悪い。

「2バンド超伝導理論」って書いてるお前のことだよ!

死ねばいいのに

 
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