この海の「透明マント」は波をより大きく、より良くする

サーフィンをしたことのある人なら誰でも、波が人を吹き飛ばすほどの力を持っていることを知っている。そのエネルギーの一部を海から取り出して家や車に取り入れるさまざまな設計が存在するが、その技術は再生可能エネルギーの同類に比べて常に遅れをとっている。

太陽光パネルや風力タービンに比べ、波力エネルギー装置は海洋環境が厳しいため高価であり、大きな波が必要なため設置場所も限られている。これまでの工学研究の多くは、特定の波から抽出できる電力量を増やすことで装置のコスト効率を高めることに重点を置いてきたが、物理学者のあるチームは、波を大きくするという別のアプローチをテストしている。

風車と波力発電装置はどちらも自然の動きを利用して発電するが、3枚羽根のタービンが各地で増えている一方、浮遊ブイは米国の海岸線にはまだ1つも設置されていない。「波力エネルギー分野は風力より30年遅れていると考えています」とサンディア国立研究所の水力発電研究者ケリー・ルーエル氏は言う。

押し寄せる波に合わせて曲がる蛇のような細長い構造から、通り過ぎる波に合わせて揺れる海底プレートまで、多種多様な設計が優位を競い合っており、それぞれにトレードオフがある。波力発電装置は、他の発電機よりも過酷な環境で稼働する必要がある。塩水は材料を分解し、フジツボは重要な割れ目に生えてくる。また、システム全体は波（と力）が可能な限り激しい場所で稼働する必要がある。さらに悪いことに、実験する価値があるほど激しい起伏があるのは、特定の地域だけだ。「[米国の]西海岸、アラスカ、ハワイです」とルーエル氏は数か所を挙げて言う。「サーフィンの目的地として考えられる場所は、最も大きな波がある場所です。」

しかし、中国厦門大学の陳環洋氏が率いる物理学者チームが今月初めにフィジカル・レビュー・レターズ誌で説明した卓上装置をスケールアップできれば、世界中で波力エネルギーに適した場所の数を増やすことができるかもしれない。

物理学者の陳氏は、通常、光を奇妙な方法で動作させる材料の設計に時間を費やしています。たとえば、ナノメートルサイズの表面特性を利用して、物体の周りの光波を妨げずに曲げる、いわゆる透明マントなどです。浙江大学の水力工学教授である王振宇氏との友人でなければ、彼は水工学に進もうとは思わなかったかもしれません。ある日、コーヒーを飲みながら、彼らは水も制御できるかどうかについて話しました。なぜなら、水と光波は数学的な意味では同じように動作するからです。王氏は大学でフットボール場ほどの大きさの波の水槽を利用できたので、彼らは試してみることにしました。

光波の挙動を変えるには、ナノメートル スケールの物体を使って磁場や電場に対する反応を操作する必要がありますが、水波を制御するのははるかに簡単です。水波は、地球の重力による加速度と海の深さという 2 つの数値にも依存します。「重力は変えられません」とチェン氏は言います。「だから深さを変えたのです」。しかも、水波ははるかに大きいのです。

チェン氏は、マイクロ波を集中させる2015年のデザインからアイデアを借りて、同様の方法で水の波を集中させることができるはるかに大きな構造を作り上げました。これは、リング状に配置された多数の長方形のフィンを特徴としており、各フィンは、内側に移動するにつれて高くなる表面に取り付けられています（上記参照）。幅広い波長の波がリングに入ると、フィンはそれらを斜面に沿ってより小さく浅い内側の領域に導き、そこで集中したエネルギーによって追加の力で噴出します。このセットアップでは、深さが段階的ではなく滑らかに変化するため、内部が特定のサイズの波に対して「隠される」ため（つまり、そのタイプの波は基本的に変化せずにデバイスから出てくる）、これは波を集中させる能力には影響しないボーナス機能であるとチェン氏は言います。

あるデモンストレーション（下のビデオで見られる）では、チェン氏とジェンユ氏は幅17インチの集光器を使用して、数分の1インチの波紋を3倍の高さの小波に変換し、紙の船を揺らして劇的な効果を演出した。チェン氏によると、増幅率は外側のリングと内側のリングの距離によって決まり、エンジニアは実際にはさらに増幅できるという。

波の高さを 3 倍にすると、利用できるエネルギーは 9 倍に増えるため、こうした集光装置の超大型版を自然環境に導入すれば、サーフィンの目的地以外にも波力エネルギー生産地域を拡大できる可能性がある。しかし、細かい点が問題であり、おもちゃの船ではなくブイ発電機を中央にいくつか設置し、東海岸に点在させるだけでは、必ずしも勝利の策にはならないだろう。

波からどれだけのエネルギーを引き出せるかというアイデアは、波力エネルギー分野にとって明らかに大きな関心事です、とルーエル氏は言います。「しかし、これをどこに展開するかを考える必要があります。そこにクジラの移動経路がありますか？海藻で遮られたらどうなるでしょうか？」

表面だけ、または海底だけに設置されるブイや海底設置型プレートとは異なり、チェンの集光装置は上から下まで水柱全体を切断するため、建設場所の選択が困難になる。海岸近くに設置すると、水中の生物や船舶輸送や漁業などの海上活動の両方に支障をきたす恐れがあるが、沖合に建設するには海底まで到達する不可能な巨大構造物が必要になる。適した場所があったとしても、限られた場所になるだろう。

それでも、チェン氏とジェンユ氏は挑戦する気満々だ。上海のすぐ南にある島々の間に数百フィートの幅の集光装置を設置してテストすることを思い描いている。そこの海底は比較的平坦で浅く、政府はすでに潮力発電機を1基設置している。

たとえこの設計に問題が生じたとしても、チェン氏は、この集光器はエンジニアが海洋分野に応用できる数多くの光学的トリックの 1 つに過ぎないと考えている。「光学的には非常に難しいが、水波の場合、非常に簡単です」とチェン氏は言う。「これはほんの始まりに過ぎません。」