One-step synthesis of anhydrous Mg(NO3)2-NaNO3-KNO3 molten salt for high-temperature thermal energy storage

太陽のベタつき問題と乾燥塩の魔法

太陽のエネルギーを、貯金箱に貯金するように蓄えることを想像してみてください。太陽が明るく輝いているとき、その熱をできるだけ多く捕まえ、雨の日や曇った夜のために保存しておきたいものです。これが集光型太陽熱発電（CSP）の背後にある大きなアイデアです。科学者たちは巨大な鏡を使って日光をレシーバーに集中させ、パイプの中を流れる特別な液体を加熱します。この熱い液体がタービンを回し、太陽が沈んだ後でも電気を作り出します。

問題は、完璧な「貯金箱」となる液体を見つけることです。長い間、科学者たちは安価で熱を保持しやすい2種類の一般的な塩（硝酸ナトリウムと硝酸カリウム）の混合物を使用してきました。しかし、これらにはいくつかの厄介な欠点があります。融点が比較的高いため（始動が難しい）、そして熱くなりすぎると分解・腐敗し始めてしまうため、蓄えられるエネルギー量に制限がかかるのです。これを解決するために、研究者たちは第3の成分として硝酸マグネシウムを加えてみました。これは、スープに隠し味のスパイスを加えて融点を下げるようなものです。しかし、通常購入される硝酸マグネシウムには、重いバックパックのように水分子が付着しています（これは「水和物」と呼ばれます）。この濡れた塩を溶かそうとすると、水が化学的な混乱を引き起こし、混合物を台無しにし、高温下での不安定さを招く腐食性の「ベチャベチャしたもの（gunk）」を作り出してしまいます。課題は、「塩を壊したり爆発させたりすることなく、どうやって水を取り除くか」でした。

ワンステップの乾燥テクニック

この研究において、青海師範大学などの研究チームは、この「濡れた塩」の問題に正面から取り組むことにしました。彼らは、硝酸マグネシウム、硝酸ナトリウム、硝酸カリウムからなる3塩混合物の、超安定した無水（水を含まない）バージョンを作りたいと考えました。高価で扱いが難しい乾燥した硝酸マグネシウムを購入する代わりに、安価な濡れた状態のものを使い、混合物の中で直接乾燥させる巧妙なワンステップの方法を編み出したのです。

濡れた硝酸マグネシウムの結晶を、水に浸かったスポンジだと考えてみてください。もし単に熱いオーブンに放り込むと、水が急激に蒸発しすぎて、スポンジが崩れたり他の塩と悪反応を起こしたりする可能性があります。研究者たちは、水を優しく絞り出すための特定の「焼き上げスケジュール」を設計しました。彼らは濡れた硝酸マグネシウムを特別な容器に入れ、段階的に加熱しました。まず150℃まで温め、次に250℃、最後に300℃とし、それぞれの温度で一定時間保持しました。この作業は、真空状態（空気のない空間）で行うか、あるいはガスを流して、水蒸気が塩から離れた瞬間にそれを運び去るように行われました。この注意深く段階的な乾燥プロセスにより、濡れた不安定な塩が、通常起こるような腐食性の「ベチャベチャしたもの」に変わることなく、乾燥した安定した粉末へと生まれ変わりました。

マグネシウムが乾燥した後、彼らはこれを他の2種類の塩と混ぜて、新しい「MNK」三成分溶融塩を作成しました。その後、この新しい混合物を一連のテストにかけ、古い濡れたバージョンと比較してどのように挙動するかを確認しました。彼らはTG-DSCと呼ばれる、精密な秤でありながら熱も測定できる装置を使用しました。これは、塩をゆっくりと加熱しながら重量の変化（分解しているか、あるいは水分が失われているか）を測定し、同時に溶けるのにどれだけのエネルギーが必要かを測定するものです。

結果は非常に有望でした。新しい乾燥塩は、濡れたものよりも優れた蓄熱材料でした。第一に、濡れたバージョンがわずか**404.1℃で分解し始めたのに対し、乾燥した塩は457.6℃に達するまで分解が始まりませんでした。これは、より高い温度まで塩を加熱でき、腐敗することなくより多くのエネルギーを蓄えられることを意味するため、非常に大きな進歩です。研究者たちは、この乾燥塩が450℃**まで安全に動作できることを発見し、太陽光発電所の「安全圏」を広げました。

第二に、乾燥塩はより低い温度で溶けました。濡れた混合物は液体になる前に157.5℃まで加熱する必要がありましたが、乾燥版は148.2℃で溶け始めました。これにより、朝のシステム始動が容易になります。さらに素晴らしいことに、溶ける際に吸収するエネルギーも増加しました。「融解潜熱」（溶ける際に吸収するエネルギー）は、濡れた塩の66.61 J·g⁻¹から、乾燥した塩では88.71 J·g⁻¹へと跳ね上がりました。これは、塩が持つ「バッテリーパワー」が大幅に向上したことを示しています。

チームはまた、日夜のサイクルをシミュレートして、加熱と冷却を何度も繰り返しても塩が耐えられるかどうかをチェックしました。乾燥塩を450℃まで加熱し、冷却した後、その重量を測定しました。質量減少はほとんどなく（300時間の高温暴露後でもわずか約2.01%）、非常に安定していることが証明されました。対照的に、濡れた塩は、中の水が逃げ出し塩が分解してしまうため、同じ温度で多くの質量（8.61%）を失いました。彼らはさらに、腐食性の副産物であるヒドロキシナイトレート（マグネシウムヒドロキシナイトレート）の存在といった、化学的なトラブルの兆候も調べました。その結果、濡れた塩のサンプルにはこの有害な物質が見られましたが、乾燥した塩には全く存在しませんでした。

論文は、このシンプルなワンステップの乾燥法が、高性能な太陽エネルギー用塩を作るための実行可能な方法であると結論付けています。水を溶ける前に慎重に取り除くことで、従来の濡れた混合物よりも安定性が高く、より多くの熱を保持し、より高い温度に耐えられる材料を作り出すことができました。この論文は、これがすべての太陽光発電の最終的な解決策であると主張しているわけではありませんが、この特定の乾燥塩が、太陽エネルギー貯蔵をより効率的かつ信頼性の高いものにするための非常に強力な候補であることを示唆しています。