凍てつく寒さだと、スマートフォンやガジェットはこうして動かなくなる
骨まで凍るような猛烈な北極低気圧が米中西部へと南下したことで、学校や会社が休みになり、多くの飛行機や列車が運休し、ウィスコンシン、イリノイ、ミシガンの各州政府は非常事態を宣言した。
ある日のミネアポリスでは夜通し風が吹き荒れ、気温はマイナス45℃にも達した。このような気温では、屋外に5分以上いただけで凍傷になる危険性がある。
人間は数千年かけて屋内の生活に適応してきた。断熱用の衣服や、温かい空気と温水をポンプで家中に巡らせるシステムなどの技術によって、極度の低温でも生き延びてきたのだ。
A look at hourly wind chills since 3 pm Tuesday. Upstream over Minnesota tells the tale…colder air coming our way into morning. Thanks for the chill gift @NWSTwinCities 🙂
Stay safe, and if you absolutely must be outside, limit the time and dress appropriately. #ILwx #INwx pic.twitter.com/t3yRlCALs2
- NWS Chicago (@NWSChicago) 2019年1月30日
1月30日のシカゴ周辺の気温。軒並み記録的な寒さになっていることがわかる（気温は華氏）
しかし気温が氷点下になると、現代のコネクテッドな生活を可能にしている技術そのものが機能を失ってしまう。バッテリー、ディスプレイ、センサー、軽量素材など、現代的なモバイル生活の原動力となっているものは、この寒さでは機能しなくなるのだ。
それでは実際のところ、あなたのガジェットは厳寒のなかではどうなってしまうのか。
リチウムイオン電池は氷点下に弱い
充電が必要な機器が手元にどのくらいあるのか、考えてみてほしい。たくさんあるだろう。
まずは毎日利用する携帯電話やノートパソコン。ほかにもフィットネストラッカーやスマートウォッチ、Bluetooth接続のヘッドフォン、デジタルカメラ、電子書籍リーダー、電子タバコ、ドローン、充電できる自転車用ライトもあるかもしれない。
それらの大半はリチウムイオン電池で動いている。リチウムイオン電池はエネルギー密度が高く、さまざまな電流に対応できるため業界標準となっている。ところがその特性ゆえに、気温が0℃以下になると問題が発生する。
「リチウムイオン電池は氷点下になると、性能に大きな影響を受けます」と語るのは、南極大陸やグリーンランドのような場所で使う寒冷地用ロボットをつくっているノースイースタン大学の電気技術者、ハヌマン・シンである。温度が下がれば下がるほどバッテリー内部の化学反応が遅くなり、結果としてバッテリーのもちが悪くなるのだ。
携帯電話の充電の残りが25パーセントの状態でメッセージを送ろうとして、絵文字を入力した2秒後に動かなくなったのを見たことがあるかもしれない。それを思い出せば、どれだけ急速にバッテリーが消耗するのかわかるだろう。
「その変化は劇的ですらあります」とシンは言う。マイナス37℃以下の気候でスマートフォンを持ち歩けば、5分で完全に壊れるだろうと彼は言う。ちょうどスマートフォンを持つ手が凍傷になるのと同じタイミングだ。
デジタルガジェットに共通の弱点
一日の大半は使われないことを想定して設計されているスマートフォンのような機器では、こうした“弱点”が顕著になるとされている。そういった機器のバッテリーは、機器自身を温めるほどの電流を流すことができないからだ。一方、ドローンや電気自動車のように短時間で強力なエネルギーを必要とするものは、パフォーマンスこそ非常に低下するものの、バッテリーの性能を維持するだけの熱を発生させることができる。
寒い気候はあらゆる電気自動車にとって難題だが、特に小型の電動スクーターは寒さに弱いことが、掲示板サイト「Reddit」のフォーラムで指摘されている。シェアバイク大手のLimeのような企業は、バッテリーの寿命を含め自社製品のパフォーマンスを監視しているが、今回の寒波の影響とみられる動きはまだないという。
個々の製品の性能は、当然ながらメーカーやバッテリーのモデル、機器の状態によって異なる。例えばアップルは、「iPhone」のが氷点下では正常に機能しないことを示唆している。アマゾンも「Kindle」について同じことを言っている。
一方、Fitbitは同社のウェアラブル端末の最低使用温度を-10℃としているが、これは皮膚に密着していることで温度を維持できるからだ。こうした“ルール”は、リチウムイオン電池を使うすべてのものに共通する。
つまり、もし今回の北極低気圧が引き起こした寒波のなかに出ていく必要があるなら、スマートフォンは可能な限り体の近くにもっておくことだ。そしてワイヤレスヘッドフォンは家に置いておき、屋外にいる時間は5分以下にしなければならない。
もし機器を凍らせてしまうことがあれば、そのまま充電してはならない。充電する前にゆっくりと室温に戻す必要があるのだ。さもなければ望ましくない化学反応によって、バッテリーに回復不能な損傷を与えてしまう危険性がある。
液晶ディスプレイも低温では正常に動かない
バッテリーが寒さに最も弱いのは間違いない。だが僅差で続くのは液晶ディスプレイだ。身近なところでは、スマートフォンやタブレット端末、ノートパソコン、デジタルカメラ、スマートウォッチ、そしてクルマのカーナビや操作パネルなどに使われている。
液晶ディスプレイは数百万の画素からできており、トランジスターが一つひとつの画素を制御する。ねじれた状態になっている液晶の分子に電圧をかけると、分子の向きが変わって光を通すようになる。この光を偏光フィルターを通すことで、任意の色を出すわけだ。これらの数百万の画素が一体となって、色鮮やかな1枚の画像を生み出す。
しかし、暑すぎたり寒すぎたりすると、液晶技術はお手上げになる。液晶が最もうまく機能するのは0℃から約50℃までで、これは生物と同じである。温度が下がれば下がるほど、表示に必要な反応時間が遅くなり、画質が劣化して不鮮明になる。素材によっては-50℃程度まで液晶を動作させることができるが、多くの民生用液晶は4℃を下回ると不具合が生じる。
ノースイースタン大学のシンは北極でドローンを飛ばす際に、ノートパソコンを防寒服の下に忍ばせて持ち運んだという。そしてギリギリの瞬間まで外気にさらすことを避けながら、壊れないように祈ったそうだ。「仮にバッテリーに限界がなかったとしても、ディスプレイが問題になるでしょうね」
スマートウォッチは腕に着けてこそ動作する
そしてセンサーだ。小型のジャイロセンサーやオシロスコープ、発信器といったセンサーはさまざまなデータを検出し、目的地の位置や到着までの所要時間、歩数、消費したカロリーなどを教えてくれる。こうした部品はデヴァイスの向きや移動速度などを検知するが、やはり極端な低温下では性能が低下する。
高価格なセンサーほど動作する気温の範囲は広くなる。しかし、「例えば-45℃から50℃といった非常に広い温度帯で動かすのは、ほぼ不可能です」とシンは言う。「こうした極端な温度では、精度に問題が生じるのです」。そこでコストを抑えるために、多くの家電製品などでは一般的なセンサーが採用されている。
デジタル時計を例に挙げてみよう。「Apple Watch」であれガーミンのスマートウォッチであれ、ウォルマートで買えるような10ドルの安い時計であれ、共通している点がある。それはすべて、ひっくり返せば裏側が金属製という点だ。
こうした腕時計に内蔵されている発振器は、37℃で精度を保てるように調整されている。裏側の金属板がユーザーの体温を本体に伝えることで、寒いところでもセンサーが正常に動作するようにしているのだ。
試しに腕から外して-45℃の寒風にさらしてみれば、1日の数秒くらいは失うことになるかもしれない。時間の正確さを重視するのであれば理想的とは言えないが、この歴史的な寒さのなか過ごす時間を“短縮”するひとつの方法かもしれない。
