この記事に登場する製品・装置は実在しません。
実際の物理現象や電気の仕組みを参考にしながら、 「もしこんな製品を作ったらどうなるだろう？」 と考える空想上の技術・架空製品です。
雷・高電圧・避雷設備を実際に改造したり、 記事の内容を再現したりすることを目的としたものではありません。
雷が落ちる前の「電気」を集めて発電できないか？
雷そのものを捕まえるのではない。
雷が生まれる前に空と地面の間にたまっている、
とてつもない静電気を少しずつ回収する。
そんな架空の発電装置を考えてみた。
この記事は完全な「机上の空想」です。 雷や高電圧を実際に扱う実験は非常に危険です。 家庭で再現することを目的とした記事ではありません。
まずは、小学生でも分かるあらすじ
雷は、突然何もないところから電気が生まれているわけではありません。
雷雲の中では、氷や水のつぶがぶつかり合うことで、 プラスの電気とマイナスの電気が別々の場所に集まっていきます。
すると、雲と地面の間にはものすごく大きな 「電気の差」ができます。
たとえるなら、 空にものすごく巨大な静電気がたまっている状態 です。
その差が大きくなりすぎて、 空気が電気を止めきれなくなると、 「バチッ！」と電気が地面まで流れます。
それが雷です。
だったら雷が落ちるまで待たずに、 雷になる前の静電気を少しずつ集めればいいんじゃない？
というのが、今回考える架空の製品です。
製品名を付けるなら
大気電荷回収発電システム
雷を直接発電に使うのではなく、 雷雲によって生じた強い電界を利用し、 空気中の電荷・イオンの移動から 少量ずつ電気エネルギーを取り出す装置。
雷雲 静電気 大気電界 イオン 発電 完全机上論そもそも雷は何なのか？
雷雲の中では、水滴や氷の粒などが激しく動き回っています。
それらがぶつかったり分離したりする過程で、 電荷も分離していきます。
単純化すると、雷雲の下側にマイナスの電荷がたまり、 その影響を受けて地面側にはプラスの電荷が集まります。
普段、空気は電気をあまり通しません。
しかし電位差があまりにも大きくなると、 空気が絶縁体として耐えられなくなり、 一気に電気が流れます。
つまり雷を少し違う言葉で言えば、
と考えることもできます。
最初に考えたのは「雷そのものを回収する」方法
最初は単純に考えました。
雷が数千万V、場合によってはそれ以上の電位差を持つなら、 巨大な抵抗を使えば電流を小さくできるのではないか。
例えば抵抗をGΩ（ギガオーム）単位まで大きくする。
そして同じような回路を大量に並列化する。
さらにダイオードなどによって、 電圧の大きさごとに通るルートを変える。
強い雷なら複数の回路を使い、 弱い雷なら一部だけを使う。
一見すると、 かなり合理的に見えます。
でも、雷そのものを扱うのは無茶だった
問題は、雷が普通の電源とはまったく違うことです。
| 普通の電源 | 雷 |
|---|---|
| 電圧が比較的安定 | 電圧が大きく変化する |
| 電流を予測しやすい | 瞬間的に巨大な電流が流れる |
| 好きなときに使える | いつ落ちるか分からない |
| 場所が決まっている | どこに落ちるか分からない |
| 回路で制御しやすい | 回路そのものを破壊する可能性がある |
さらに、避雷針は本来、 雷を安全に地面へ逃がすための設備です。
そこへ発電装置を無理に直列接続すると、 雷が安全に流れるルートそのものを邪魔する可能性があります。
「雷発電所」を作ったところで、 そもそも雷が来なければ何も発電しません。
ここで一度、 雷発電はダメなのではないかと思いました。
そこで発想を逆転する
しかし、ここで一つ疑問が出てきます。
そう。
雷を捕まえる必要はありません。
雷になる前の 電荷の移動 を集めればいいのではないか。
雷雲を「巨大な静電気発生装置」と考える
この架空装置では、 雷雲そのものを巨大な高電圧源と考えます。
そして空気を、とてつもなく大きな抵抗として考えます。
尖った金属の先端では、 電界が集中します。
電界が強くなると周囲の空気が電離し、 イオンが動きやすくなります。
そこで生じる非常に小さな電流を、 多数の電極から少しずつ集める。
これが、この架空製品の基本原理です。
「雷発電」ではなく「大気電界発電」
この方式では、雷そのものを回路へ流しません。
雷が発生する前の段階から、 少しずつ電荷を回収します。
つまり、
雷になるまでの長い時間に生まれる電気だけを利用する。
という考え方です。
電圧に応じて回路を切り替える
雷雲による電界は一定ではありません。
弱いときもあれば、 落雷直前のように非常に強くなる場合もあります。
そこで、最初に考えていた 「電圧別の複数回路」という考え方をここで使います。
実際には雷の速度が速いため、 コンピューターが測定して 「今はこの回路！」と判断するより、 一定の電圧になると自然に導通する 受動的な回路が必要になります。
その後、十分に低い電圧まで下がった段階で、 ダイオードや半導体によって細かく制御する。
という構成になるでしょう。
大量の電極を並べればいい？
ここで最初に考えた 「大量並列」という発想が再び登場します。
1本の電極から大量の電力を取り出そうとするのではなく、 大量の電極から微小な電流を集めます。
例えば、 1本ではほとんど役に立たないほど小さな電流でも、 数千本、数万本ならどうなるのか。
これが机上の理論としてのポイントです。
そして最大の問題
ここまで読むと、 なんとなく実現できそうな気もしてきます。
しかし最大の問題があります。
静電気でも、 数千Vや数万Vになることがあります。
でも静電気で家電を動かすことはできません。
なぜなら、 電圧は高くても流せる電流が非常に小さいからです。
大気電界も同じです。
とてつもない電位差が存在しても、 そこから連続的に取り出せる電流が小さければ、 発電量はたいしたものになりません。
さらに、取りすぎるとどうなる？
ここでもう一つ面白い疑問があります。
大量の電荷を地上設備で回収したら、 雲と地面の電位差そのものが小さくなるのではないか。
もし本当に大量の電荷を抜くことができれば、 理屈の上では局所的な電界を弱める方向には働きます。
すると、この架空装置は発電機であると同時に、
になる可能性もあります。
ただし雷雲では、 上昇気流や氷粒の衝突によって 電荷が次々に作られ続けています。
少し取り除いた程度では、 またすぐに電荷が補充されるでしょう。
空想製品としてまとめる
| 項目 | 内容 |
|---|---|
| 名称 | 大気電荷回収発電システム |
| 電源 | 雷雲によって生じる大気電界 |
| 集電方法 | 多数の尖端電極によるイオン・微小電流回収 |
| 制御 | 電圧レベルごとの多段回路 |
| 蓄電 | 高電圧・低電流から段階的に変換して蓄電 |
| 落雷時 | 発電回路から切り離し、通常の避雷設備へ逃がす |
| 最大の問題 | 非常に高電圧でも、取り出せる電流が小さい可能性 |
結局、実用になるのか？
おそらく、 普通の太陽光発電や風力発電に勝つのはかなり難しいでしょう。
雷雲が存在する時間は限られています。
しかも強い電界が発生している場所で、 大規模な高電圧設備を安全に維持する必要があります。
設備費、保守費、安全性を考えると、 商業発電としてはかなり厳しそうです。
しかし、
空想机上の理論としては面白い。
「雷を捕まえて発電する」という発想では、 雷の瞬間的な巨大エネルギーに振り回されます。
しかし、
雷が発生する前に存在する電荷と電界を利用する
と考えると、 まったく別の発電方式に見えてきます。
雷とは、 空から突然やってくる電気ではありません。
空と地面の間に長い時間をかけて蓄積された 巨大な電気的不均衡が、 最後に一気に崩れる現象です。
ならば、その「最後の一撃」を狙うのではなく、 その前を利用する。
それが今回の 「空想机上の理論 製品1」 です。
※本記事は物理現象を題材にした思考実験です。 雷・避雷設備・高電圧設備を個人で改造または実験することを 推奨するものではありません。
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