Energy Conversion System using nano-steam-explosion

• Project/Area Number: 22K18326
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 31:Nuclear engineering, earth resources engineering, energy engineering, and related fields
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 岡本 孝司 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (80204030)
• Project Period (FY): 2022-06-30 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥26,000,000 (Direct Cost: ¥20,000,000、Indirect Cost: ¥6,000,000); Fiscal Year 2024: ¥8,450,000 (Direct Cost: ¥6,500,000、Indirect Cost: ¥1,950,000); Fiscal Year 2023: ¥8,450,000 (Direct Cost: ¥6,500,000、Indirect Cost: ¥1,950,000); Fiscal Year 2022: ¥9,100,000 (Direct Cost: ¥7,000,000、Indirect Cost: ¥2,100,000)
• Keywords: steam explosion / energy conversion / nano-particle / Steam Explosion

Outline of Research at the Start

ナノ粒子を混入した微小液滴にレーザーを照射すると、ナノ粒子を核とした蒸気爆発が発生し、大きな力学的エネルギーに変換される現象を発見した。ナノ粒子の熱容量が極めて小さいために、光照射によって、その温度は沸点を超え、何らかのトリガによって、蒸気爆発が発生する。光のエネルギーを極めて高効率で運動エネルギーに変換する事が出来る可能性がある。本現象を制御する事によって、太陽光などの光エネルギーを効率的に運動エネルギーに変換する事が出来る可能性がある。

Outline of Annual Research Achievements

ナノ粒子を混入した微小液滴にレーザーを照射すると、ナノ粒子を核とした蒸気爆発が発生し、大きな力学的エネルギーに変換される現象を発見した。ナノ粒子の熱容量が極めて小さいために、光照射によって、その温度は沸点を超え、何らかのトリガによって、蒸気爆発が発生する。光のエネルギーを極めて高効率で運動エネルギーに変換する事が出来る可能性がある。本現象を制御する事によって、太陽光などの光エネルギーを効率的に運動エネルギーに変換する事が出来る可能性がある。
ナノ粒子を含む流体にレーザーを照射することによって、ナノ粒子が加熱されることを確認した。高速度カメラによって、自発光する様子を捉えることに成功している。今年度は、液体の相変化に着目し、生成される気泡の大きさの時間変化を評価した。その結果、蒸気による急激な気泡生成と収縮に加えて、ゆっくりと気泡が小さくなっていく現象を見出した。これは、蒸気だけではなく、溶存空気などの非凝縮性気体が気泡内に生成し、時間をかけて液体中に溶け込んでいっているためと考えられる。この特性時間については、蒸気がマイクロ秒オーダーであるのに対して、非凝縮性気体はミリ秒オーダーとなっていることを定量的に見出した。
さらに、レーザー照射後に、数マイクロ秒という大きな時間遅れで、気泡が生成する現象も見出している。これは、何らかの外乱による圧力波に伴う蒸気爆発現象と考えられる。これらの、新しい実験結果をシミュレーションによって、評価する事を試みている。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

ナノ粒子の過熱と、時間遅れをもって発生する蒸気爆発を観測することができた。レーザーも修理が終了し、実験を進めている。

Strategy for Future Research Activity

修理されてきたレーザーと新規導入するレーザーを組み合わせて、発光現象と気泡生成現象を評価する。シミュレーションによるエネルギー移行について評価を進める。