Science&Technology Trends

高速無線技術WiMAXの国内サービス開始

　高速無線通信技術のWiMAX（Worldwide Interoperabilityfor Microwave Access）は、無線LAN（IEEE802.11）を発展させた中距離エリアをカバーする高速無線通信技術であり、電車や車での高速移動中も通信可能な技術である。国際規格IEEE802.16 ─2004 をベースとする固定系の規格と、基地局自動切り替え（ハンドオーバー）に関する仕様を追加したIEEE802.16e をベースとする移動系の規格がある。国内では、2.5GHz 帯のうち移動系のモバイルWiMAX に帯域30MHz が、固定系の地域WiMAXに帯域10MHzが割り当てられている（図表参照）。これとは別に、無線局登録で利用できる4.9GHz 帯の一部も固定系WiMAX 用に使用される。

　モバイルWiMAX による無線ブロードバンド通信に関しては、UQ コミュニケーションズ（株）が、2009 年2 月26 日より首都圏（東京23 区・横浜・川崎）で「UQWiMAX（サービスブランド名）」の無料試験サービスを開始した^1）。最大の通信速度は下り40Mbps／上り10Mbps で、1 つの基地局で最大半径約3km をカバーする。山手線などJR の44 駅に設置された160 の基地局を含め、合計500 の基地局でのスタートとなった。無線LAN は一部のスポットエリアでしか使えなかったが、モバイルWiMAX では、エリア内全域でのロケーションフリーなブロードバンドサービスが可能となる。7 月1 日には首都圏全域・京阪神・中部圏に拡大して有料の本サービスに移行し、2010 年度末には全国主要都市にエリアを拡大し、人口カバー率93％を達成する予定である。また、UQ コミュニケーションズ社は、複数のネットワーク・サービス・プロバイダーに対して、無線ネットワーク基盤を提供する。

　一方、固定系WiMAX に関しては、（株）沖縄テレメッセージが、2008 年12 月25 日より沖縄県南城市で4.9GHz帯無線ブロードバンド・サービスを開始した^2）。また、2009年4 月1日より福井県敦賀市で（株）嶺南ケーブルネットワーク^3）が、愛媛県新居浜市・西条市で（株）ハートネットワーク^4）が、ともに2.5GHz 帯地域WiMAXサービスを開始した。

　これらの地域WiMAX は市町村程度の地域で運用され、地域の公共福祉サービスの向上や、山間部・離島・過疎地などでのデジタルデバイド解消を目的に利用される5）。2.5GHz 帯地域WiMAXの免許（または予備免許）は42 事業者（うち、2 事業者は免許返上）が取得しており、今回、2 事業者が本サービスを開始した。また、北海道の帯広市第三セクター法人も、「地域情報通信基盤整備推進交付金」を利用して地域WiMAX 環境を整備中である。光ケーブルなどのブロードバンド環境が充実している東京都心部からも免許申請があり、無線の特徴を活かして河川管理などの防災システムに利用される予定である。

　モバイルWiMAXと地域WiMAX がともにサービスを開始し、それぞれ日本全域のユビキタス環境の向上と地域サービスの向上に期待が寄せられている。

参　考
1)　UQ コミュニケーションズ（株）、ニュースリリース：
http://www.uqwimax.jp/news_release/200902261.html

2)　（株）沖縄テレメッセージ、ニュースリリース：
http://www.otc.ne.jp/wimax.htm

3)　（株）嶺南ケーブルネットワーク・ホームページ：
http://www.rcn.ne.jp/index.html

4）　（株）ハートネットワーク・WiMAX 案内：
http://www.heartnetwork.jp/wimax/

5）　総務省電波利用ホームページ：
http://www.tele.soumu.go.jp/j/system/trunk/wimax.htm

世界の原子力事故に対応した環境線量情報予測システムの開発

　近年、エネルギー需要の増大と地球温暖化問題などから原子力発電所の増設や原子力利用の再評価が進み、世界的な原子力施設の増加が見込まれている。各国が原子力設備の安全性に万全を期すのは当然であるが、万一の事故に備えた対策も構築する必要がある。

　（独）日本原子力研究開発機構（JAEA）は、世界の原子力施設で万一の事故が発生した場合、計算シミュレーションにより、放出される放射性物質の大気拡散状況や放出地点を迅速に推定可能な緊急時環境線量予測システム世界版（Worldwide version of System for Predictionof Environmental Emergency Dose information）の第2版（WSPEEDI─Ⅱ）を開発した^1）。JAEAでは、1979 年の米国スリーマイル島原子力発電所事故以降、日本国内原子力施設緊急時の大気拡散予測システム（SPEEDI）を開発し、すでに実用化している。さらに1986 年のチェルノブイリ事故を契機に世界の原子力事故に対応するシステム（WSPEEDI─Ⅰ）の開発を進めてきた。1997 年に開発を終了したWSPEEDI─Ⅰの改良を重ね、今回、飛躍的に機能を向上させたWSPEEDI─Ⅱを完成した。

　WSPEEDI─Ⅱは、気象要素を予測する大気力学モデルの導入により、原子力施設からの距離が数10km 程度の狭域から数1000km 規模の広域におよぶ風速場、乱流場、降水・雲量分布が予測可能となり、放射性物質の移動・拡散・地表面沈着および被ばく線量がより高精度で予測できる。予測性能は、チェルノブイリ事故などの再現計算で評価され、世界トップレベルの性能が確認されている（図表②）^2）。

　また、WSPEEDI─Ⅱは、事故情報が不十分でも、環境モニタリングポストの線量上昇から発生源、放射性物質放出開始時間・放出量が推定できるため、越境型原子力事故への迅速対応が可能となる。さらに、欧米の同様な予測システムとも情報の交換ができるため、予測結果の確度評価が可能となる。環境分野 TOPICS Environmental Science

　今後、ハード面・運用体制面を充実し、早期に本システムを実用化することが、一般市民の安全確保のために望まれる。また、本システムは、原子力分野以外にも、近年問題となっている硫黄酸化物や光化学オキシダントなど大気汚染物質の越境汚染への適用も期待される。

参　考
1)　（独）日本原子力研究開発機構プレスリリース：
http://www.jaea.go.jp/02/press2008/p09020501/index.html
2)　寺田ほか、原子力誌、No.7, pp.257（2008）

超高速充放電のためのリチウムイオン電池正極材料

　リチウムイオン電池（LIB）は、蓄えられるエネルギー密度が高いことやメモリ効果がないことなどから、携帯電話やノート型パソコンなどに広く使われている。しかし、現在のLIB で正極材料に使用されているコバルト酸リチウム（LiCoO2）は高価で、さらに200℃程度で酸素を放出するため発火の危険性があるなどの問題が残っている。また、Li イオンの移動速度の低さなどから、大出力かつ大容量を必要とするハイブリッド自動車などの用途には利用されていない。つまり、LIBの研究開発では、同じ重量あるいは容積の中にどれだけのエネルギーを蓄えられるかというエネルギー密度だけではなく、どれだけ速くエネルギーを出力できるかという出力パワー密度や高速充電に耐える入力特性の向上も必要である。このような中、米国の研究者により、安価で安全性の高い材料を用いて、なおかつ二次電池で最高の出力パワー密度が実現されたとの報告があった。

　2009 年3 月、米国マサチューセッツ工科大学（MIT）の研究グループは、安価で化学的にも安定なリン酸鉄リチウム（LiFePO4）を使用し、スーパーキャパシタ^注）に匹敵する超高速充放電を可能にする正極材料を開発したと報告した^1、2）。この材料を用いて作られた電池の容量は166mAh ／gと通常のLIB と同程度の値を示した。また、18 秒で全放電する高出力（大電流）条件でも100mAh ／g（60％）、さらに9 秒で全放電する出力条件でも60mAh ／g（36％）と高い容量をそれぞれ示した。これらは、出力パワー密度としては90kW／ kg と170kW／ kg に相当し、これまで得られている値より2桁大きい。参考までに、市販のハイブリッド自動車であるトヨタ自動車（株）のプリウスに搭載されているモーターの最高出力は50kW である（2009 年3 月現在）。

　リン酸鉄リチウムは、コバルトを含有しない材料であるため、低コストである。また、材料としての安定性とともに資源の供給や環境負荷の面からも、注目を集めている。これまでにも一部では実用化されていたが、Li イオンの拡散速度や電子伝導度の点で十分ではなく、高出力化が課題であった。これまでの研究開発では、材料の微細化によりLi イオンの拡散距離を短くするなどの方法で改良がなされてきた。

　しかし、近年同じMIT の研究者らのコンピュータ計算により、Li イオンがリン酸鉄リチウムの表面から［010］方向にのみ非常に速く内部に入ることができることがわかってきた。そこで、MIT の研究グループは、Li イオンがリン酸鉄リチウム表面で内部へ通じるトンネルの入口と言える（010）面への拡散速度を上げることで、充放電の速度を改善できると考えた。そのために、リン酸鉄リチウムを粒径50nm まで微細化し、さらにその表面をLi イオンの安定した良導体として知られているガラス質のリン酸リチウム（厚さ約5nm）で被覆した。そのリン酸リチウムの非化学量論組成を制御することにより、Li イオンと電子の伝導性をともに改善でき、画期的な充放電特性が得られた。

　今回の報告は、ハイブリッド自動車や太陽光発電の蓄電システムなど高出力用途へのLIB の利用に期待を持たせるものである。

参　考
1)　Kang, B. and Ceder, G.“Battery materials for ultrafast charging and discharging”Nature Vol. 458, 190―193（2009）
2)　MIT News　March 11, 2009“Re―engineered battery material could lead to rapid recharging of many devices”

レーザーを用いたコンクリート内部欠陥探傷装置

　コンクリート構造物の維持管理は重要であるが、特に1999 年に山陽新幹線の小倉─博多間にある福岡トンネルの内壁から約200kg のコンクリート塊が剥落し、走行中の列車の屋根を直撃する事故が発生して以来、適切な検査の必要性が高まっている。この事故は、建設時の段階施工によって生じたコールドジョイントと呼ばれるコンクリートの不連続面において、長期間にわたる漏水・温度変化・列車振動などにより、ひび割れが進展したことが原因とされている。

　現在、コンクリートの内部欠陥検査方法としては打音検査が主流であるが、コンクリート表面をハンマーで打撃したときの音の高低によって検査員が状態を判断する打音検査は、検査員の経験や主観に左右されるため、必ずしも客観的な評価とは言えない。

　2009 年1 月7 日、（財）レーザー技術総合研究所、東京工業大学、（財）鉄道総合技術研究所、西日本旅客鉄道（株）の産学研究グループと（独）鉄道建設・運輸施設整備支援機構は、レーザーを用いたコンクリート内部欠陥探傷装置を開発したと発表した^1）。健全部分と内部欠陥を有する箇所ではコンクリートの振動周波数が異なる。高出力のパルスレーザーをコンクリートに照射することで、コンクリート表面の急激な熱膨張やアブレーションにより超音波を発生させ振動させ、振動周波数の違いを狭帯域の連続発振レーザーを用いた検出器で計測することで、内部欠陥を検出できる。

　本装置の研究開発は、（独）鉄道建設・運輸施設整備支援機構の「運輸分野における基礎的研究推進制度」により2006～2008 年度に実施され、レーザー超音波システムの検出感度向上・欠陥検出手法の確立・試作機開発・実構造物等での実証実験等の研究が行われた。この結果、レーザーを縦横に走査させ、コンクリート面を約1 秒／点で計測することにより、内部欠陥を2 次元で画像化できた。レーザーを用いた探傷検査については、金属などではすでに行われていたが、コンクリート構造物への遠方からの適用は、今回が初めてである。実証実験では、5m 離れたコンクリートにおいて、深度10cm までの内部欠陥を探知することができた。遠方のコンクリートに斜めに照射しても内部欠陥を探傷可能である。

　コンクリート構造物の非破壊検査としては、打音検査の他に赤外線や電磁波を用いた検査などがあるが、どれも検査員がコンクリート面に近づく必要があり、高所作業車等を必要とし、作業効率も悪かった。本装置の導入により、遠方からでも迅速・正確かつ客観的な内部欠陥検査ができるようになる。

参　考

1)　（独）鉄道建設・運輸施設整備支援機構プレスリリース「レーザーリモートセンシングによるコンクリート内部欠陥探傷装置を開発」：
http://www.jrtt.go.jp/news/news_pressrelease.htm

高速無線技術WiMAXの国内サービス開始

参 考

世界の原子力事故に対応した環境線量情報予測システムの開発

参 考

超高速充放電のためのリチウムイオン電池正極材料

参 考

レーザーを用いたコンクリート内部欠陥探傷装置

参 考

参　考

参　考

参　考

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