磁性流体発電

磁性流体量子エネルギー発電システムの開発
我々は、２００４年７月、新たな発電エネルギーの特許申請を行った。２００５年に国際出願し、日本国特許出願は平成２３年（２０１１年）１２月１３日特許査定された。

　発電の原理は、物理学的で高い知識を必要とするが、構造的には、簡単で、小さな構造から大きなエネルギーを確保することが出来る。
この発電の特長は、初期エネルギーとして駆動電気を必要とするが、継続したエネルギー源を必要とせず、一見すると永久機関と錯覚される要素もあるが、新たな科学知識と長年のマイクロ波応用技術によって開発したエネルギーである。

原理的には、電子レンジに、金属片や金属の粉を入れることは、危険であり、避けることが示されている。マイクロ波に金属磁性素材を入れると高温になり、場合によっては、爆発し火災の原因になる。大きなエネルギーが発生したことが示されている。
プラズマ現象は、瞬時に、マイクロ波の入力よりも遙かに大きなエネルギーに転化したことを示している。
磁性素材がマイクロ波によって生じるプラズマ現象を持続的に緩和し、コントロールすることで、持続的発電エネルギーとして活用することが可能かを研究した。
利用するのは、磁性流体とマイクロ波のマグネトロン、永久磁石を組み合わせた構造である。

１．構造及びシステム特長と原理
　磁性流体をマイクロ波によって加熱し、磁性流体のコロイド粒子のスピンを励起させることによって生じる、磁性流体の自発磁化と、外部から永久磁石又は、超伝導電磁石によって強磁場を印加することによる磁性共鳴によって、磁性流体のエネルギーは、加熱に必要とした、マイクロ波のエネルギーよりも、大きくなる。

マイクロ波による混層状態の感温磁性流体(温度あたりの磁束密度の変化の大きい磁性流体)を加熱することによる、磁力の減少、水による冷却から生じる磁力の回復増加によって推進エネルギーが生じる、混層状態(複数の種類の温度あたりの磁束密度の異なる磁性流体を混層状態で使用)による非線形力も推進エネルギーとなる。

この混層状態の感温磁性流体に、アルゴンガス、貴金属を挿入し、外部から、マイクロ波によって加熱され、永久磁石又は超伝導電磁石によって、強磁場が印加されていることによって生じるアルゴンガスのプラズマ振動、貴金属のプラズモン振動によって生じる電場の増幅が感温磁性流体のエネルギーとして増幅される。その結果、生じる感温磁性流体の推進エネルギーによって回転体を回転させることによる起電力、及び感温磁性流体の磁場及びアルゴンガスのプラズマ振動、貴金属のプラズモン振動との相互作用によって生じる、ローレンツ起電力を発電エネルギーとして使用する。磁性流体をそのまま発電エネルギーとして駆動させる方法である。

○科学的原理（対称性と対称性の自発的破れ）
エネルギーの保存則が存在する理由は対称性によるとされている。
しかし、対称性が自発的に破れるという一般原理も存在する。この原理を素粒子物理に導入したことによって、シカゴ大学教授の南部陽一郎氏はノーベル賞を受賞されている。

対称性の自発的破れの例として、強磁性体のスピン波の励起（南部－ゴールドストーンの定理）。電磁場と物質が相互作用した場合の対称性の破れの例として、超伝導、貴金属のプラズモン現象、及びガスのイオン化によるプラズマ現象がある(アンダーソン－ヒッグスの定理)。アンダーソン-ヒッグスの定理とは、電磁場と物質が相互作用した場合、対称性が破れることによって、物質内の量子励起から質量(エネルギー)を獲得するというものである。この発電システムは強磁場を印加しながら、マイクロ波によって加熱することによる、磁性流体のスピン波の励起と磁性共鳴、アルゴンガスのプラズマ振動、貴金属のプラズモン振動によってエネルギーを物質内の量子励起から獲得する。また外部から永久磁石、超伝導電磁石によって強磁場を印加するため、この発電装置のエネルギーは、入力に必要とするマイクロ波のエネルギーよりも、大きいエネルギーが得られる。

また磁性流体とプラズマ振動、プラズモン振動及び磁性流体が混層であることの非線形性によってソリトン波が生じ、減衰しない永続的な運動が生じる。そのため、磁性流体の推進エネルギーは継続的な発電が可能になる。


○素粒子の標準模型
シカゴ大学教授、南部陽一郎氏の対称性の自発的破れの原理の素粒子物理への導入によって電磁場と弱い力を統一的に描けるという電弱統一理論がアメリカの理論物理学者であるグラショ－、ワインバーク、ヨーロッパの物理学者、サラムによって示されこの理論は素粒子の標準模型と呼ばれている｡

その成果によってグラショ－、ワインバーグ、サラムは１９７９年にノーベル賞を受賞している。
宇宙空間の真空は超伝導体、磁性体のような媒質となっており、その媒質に電磁場(γ線)が相互作用することによって、対称性が破れ質量のない電磁場(γ線)は非常に重い質量(エネルギー)を持つ、Ｗ、Ｚ０ 粒子という弱い力は媒介する粒子と統一されるというものである。Ｗ、Ｚ０ 粒子はヨ－ロッパ連合原子核研究所（ＣＥＲＮ）によって１９８３年に発見されている。また対称性の破れの原理を最終的に証明するアンダーソン－ヒッグス定理によるヒッグス粒子もヨ－ロッパ連合原子核研究所（ＣＥＲＮ）の実験によって発見されようとしている。（ＬＨＣ実験）Ｗ、Ｚ０ 粒子の質量(エネルギー)は電磁場(γ線)が質量をもたないことに比べ、非常に重くＷ粒子は80GeV､  Ｚ０ 粒子は91GeV である。

２．エネルギーとエネルギー転換効率
本発明のエネルギーは、磁性流体にマイクロ波を照射し得るエネルギーである。
特長として、磁性流体にマイクロ波を照射し、磁性流体を約－４０℃～＋２００℃の温度変化を２秒程度の間に上下に振動させ、上下振動から得られるエネルギーを流体の回転エネルギーとして発電機に連結し取り出す構造である。

初期エネルギーを投下するだけで、後は、定期的マイクロ波の照射によって、磁性流体は回転運動が継続する。マイクロ波の照射に必要なエネルギーに対して、得られるエネルギーは、１駆動で、１０倍以上最大３０倍近くを得ることが出来る。
この原理は、古典的物理学なエネルギー不変の法則を逸脱した量子エネルギーである。

○感温磁性流体発電の出力計算
磁性流体を振動磁場または高周波磁場で加熱したときのエネルギーは次の文献によって知られている。

(参照)
Heating magnetic fluid with alternating magnetic field
R.E. Rosensweig
Exxon Research and Engineering Co. USA
Journal of Magnetism and Magnetic Materials 252(2002) 370-374 Elsevier

Theory of magnetic fluid with an alternating magnetic field with temperature dependent materials
properties for self-regulated heating
C.L.Ondeck, A.H. Habib, P.Ohdnicki,K. Miller, C.A. Sawyer, P.Chaudhary
Carnegie Mellon University USA
Journal of applied physics (2009)

上記の文献によってマイクロ波によって磁性流体を磁場を印加しながら加熱したときに
生じるエネルギーは次の方程式で表わされる。

Ｐ；エネルギー　　ｆ；周期周波数　　△Ｕ；内部エネルギーの増加  
μ０ ； 真空の透磁率   π；円周率    χ"；磁性体の複素透磁率   Ｈ０；印加した振動高周波磁場  ω;印加した振動高周波磁場の周波数    χ０；  磁性体の初期透磁率
τ；緩和時間  τＢ ；ブラウン運動粒子緩和時間  τＮ ；ネール緩和時間


磁性流体に磁場を加え、マイクロ波で加熱したとき、磁性流体の材料を高透磁率のMn-Znフェライトとすると、入力のマイクロ波のエネルギーの約８倍のエネルギーが磁性流体に得られる。
マイクロ波で磁性流体を加熱すると、磁性流体の超常磁性による、強磁性共鳴によって温度は短時間に振幅することは知られている。次の文献によってその事実は知られている。
(参照)
Magnetic resonance of nanoparticles in a ferrofluid: evidence of thermofluctuation effects
F. Gazeau, V shilov, J.C. Barci, E. Dubois, F. Grendron, R. Peryzynski, Yu.L. Raikher, V.I. Stepanov
Universitie Pierre et Marie Curie France
Ural Branch of the Russian Academy of science, Russia
Journal of Magnetism and Magnetic Materials 202(1999) 535-546 Elsevier     

 我々の実験では強磁場を加え、マイクロ波でMn-Znフェライト磁性粒子を加熱すると　２秒間隔で-60℃~ 200℃の間で温度は振動した。

その場合の磁性流体のエネルギーを計算する。
磁性流体のエネルギーは下の3つの方程式であらわされる。
(参照)
円管内を流れる磁性流体の磁場下における熱輸送特性に関する研究
須知成光(同志社大　院)　山口博司　(同志社大)
磁性流体連合講演会

Ｐ；エネルギー　Ｔ；温度　Ｍ；磁化　Ｈ；磁性流体の磁場　ｖＨ；磁性流体の速度　ｘ；磁性流体の長さ　ｔ；時間

-60℃＜Ｔ＜200℃　平均Ｔ＝70℃＝343（Ｋ）

1(Tesla)=10000 (Gauss)
P=4527000(Gauss2/sec)
P=0.45(Tesla2/sec)
一般的に磁場のエネルギーは次の方程式で記される。


μ0（真空の透磁率）＝4π×10-7［Ｈ/ｍ］
よって磁性流体の単位体積（ｍ3）あたりのエネルギーは次の方程式である。

（179ｋＷ/ｍ3）Mn-Znフェライト密度4800（ｋｇ／ｍ3）すなわち１000kgの磁性流体は37.2kW/kgの出力の電力を生産する。

マイクロ波帯の表面プラズモンによる電場の増強作用は次の論文によって知られておりその場合、電場は１６倍増強すると、実験でしめされている。
その実験は次の文献で知られている。
(参照)
Surface-topography-induced enhanced transmission and directivity of microwave radiation through a subwavelength circular metal aperture
Mattew J. Lockyear, Alastair P. Hibbins and Roy Sambles
University of Exeter
Christopher R. Lawrence 
Applied physics letters volume 84, Number 12  American Institute of Physics