地球温暖化対策に期待される人工光合成

昨年(16年)11月地球温暖化対策の新たな国際枠組み「パリ協定」が発効した。

温暖化の代表的な原因とされる二酸化炭素だが、これを有効活用しながら減らす技術として注目されているのが植物の光合成を模倣してエネルギーや物質を生み出す「人工光合成」だ。

 

人工光合成は

①太陽光を使うこと②水を原料にすること③光エネルギーを化学エネルギーに変えて炭水化物のみならず水素やアンモニアなど生成するという3要素を同時に備えることが条件とされている。

 

現在世界中で研究開発がなされており、日本でも幾つかのグループで開発が進められている。

その代表的なものをご紹介。

1.NEDO(産業技術総合開発聞機構)が開発を委託する「人工合成化学プロセス技術研究組合」

・光触媒と太陽光で水を分解し水素と酸素を発生させ、この水素と炭酸ガスを原料にしてプラスチックや各種プラスチックの原料となるオレフィンを合成する。

この光触媒の原点は1972年に「ホンダ・フジシマ効果」として発表されたもので、二酸化チタンに紫外線が当たると水が酸素と水素に分解された現象。

その後、2000年代に入り可視光吸収型光触媒が発見され、多くの研究開発が進むようになった。

昨年時点でのエネルギー効率は3%に達した。因みに植物の光合成の効率は1%。

2.豊田中央研究所

・半導体を使った人工光合成。半導体基板の片面に貴金属のイリジウムを使った触媒を、他方も片面にルテニウムの触媒を貼り付けた素子を使用。

これを水に入れて炭酸ガスを吹き込みながら太陽光を当てると高効率で化学原料のギ酸(HCOOH)が出来る。

エネルギー変換効率は11年の1.04%から15年には4.6%まで高まった。

・半導体を使う方法はパナソニックや東芝も人工合成の開発に取り組んでいる。

3.大阪市立大学・マツダ

・酢酸に酵素を加え太陽光を当てるとエタノールが生成する人工光合成に成功。

エタノールは燃焼時炭酸ガスの発生の少ない燃料となる。

変換効率は0.1%とまだ低く、エタノールの分離の課題もある。

 

パリ協定は気温上昇を産業革命前から2度未満に抑えるという方針を掲げ各国に大幅な排出削減を求めている。

日本政府も昨年4月には二酸化炭素の抜本的な削減に向けた「エネルギー・環境イノベーション戦略」でこの人工光合成を有望な対策技術に位置付けた。

 

<付記>

 

 

参考サイト

 

 

 

 

 

常温核融合は本物か?

太陽の中で起こっている核融合反応を地上で再現できれば人類は永久にエネルギーに困らない。しかしこのためには一億度以上のプラズマ状態の反応の場が必要とされフランスや日本などはITER(国際熱核融合実験炉)の建設をフランスで進めている。

一方常温で核融合を起こそうという研究も進められている。これは1989年に米ユタ大学で二人の研究者がその兆候を見つけて発表したものだが、各国での追試が結局再現出来ず中止された。しかし一部の研究者たちが研究を続け徐々にこの現象の再現性が高まってきた。2010年頃から米国やイタリア、イスラエルなどにエネルギー利用を目的としたベンチャーが生まれている。

常温核融合を目指して日本でも研究は続けられ、現在では日本は凝縮系核反応、米国では低エネルギー核反応と呼ばれている。

この反応は常温から数百度で元素が融合し、各種が変換する。この反応の応用には発生した熱をエネルギー源にする方向と核変換によって放射性元素の無害化や希少金属の生成を目指す方向がある。

日本での取り組みは東北大の岩村教授グループと神戸大の荒田名誉教授グループが夫々ベンチャー企業など共同で実験を進めている。

89年のユタ大学での実験はパラジウムの電極を重水素の溶液中で電解するものだったが、現在はいずれのグループもパラジウムを主体とした金属に重水素ガスを圧入する方式で、熱の発生と、ヘリウムの生成の再現性が高まっている。

一方依然としてこの凝縮系核反応を偽物とみる研究者がいる。それは核融合を引き起こす為の陽子(+)間に働く反発力(クーロン斥力)を低温度状態でいかに乗り越えているのか、粒子や放射線を出さない核反応が可能なのかという疑問に応えられる理論構築が出来ていないからだ。

この疑問に対しては、金属内では電子や陽子が密集しており、ここに高圧の重水素が接触して浸透し、複数の元素が同時に反応することにより何らかの原理によりクーロン斥力が軽減され反応が進むのではと推定されている。

 

 

宇宙エレベーターへの第一歩スタート

現在人間が宇宙に行くにはロケットに乗って行くしかないが、膨大なエネルギーが必要で、且つ多大なコストが掛かる。この問題を解消し、多くの人が宇宙に簡単に行ける様にしようというのが「宇宙エレベーター」である。

宇宙エレベーターの構想自体は1960年に出されているがその後はあまり進展しなかった。しかし1991年日本人が発見した新素材カーボンナノチューブ(CNF)が宇宙エレベーターに必要な超高性能ケーブルを実現出来る可能性が出、急速に検討が進み始めた。

大手ゼネコン大林組は大学などと共同研究をすすめており2050年の完成を目指している。

その基礎実験がいよいよ来年早々にも日本で始まる。

その準備段階として、今月9日に鹿児島県の種子島宇宙センターから打ち上げられた日本の無人補給船「こうのとり」6号機に今回の実験用の超小型衛星が積まれており、13日国際宇宙ステーション(ISS)に到着した。

超小型衛星は静岡大山極芳樹教授らのグループが作製。宇宙でのケーブルの挙動や摩擦など、基礎データを取得する。

衛星の大きさは10cmの箱形を2基合体させた形で片方に0.4mmの釣り糸を巻いたリールが入っている。ISSから放出した後、宇宙空間で二つに分離し糸を最大100m伸ばすのが今回の実験の主な目的。先ずは小さな実験からのスタートだ。

最終的な宇宙ケーブルの実現に向けての課題は、超高性能(軽く高強度)なケーブル素材の開発や宇宙で数万キロメートルに及ぶケーブルを地球から真っ直ぐに伸ばす技術の開発である。

今後の進展を注目して行きたい。

 

 

動き始めたCNF製車体研究

炭素繊維の次の新素材としてセルロースナノファイバー(CNF)の研究が盛んになってきた。CNFは鋼鉄の5分の1の重さで5倍の強度を持つため、強度が必要で重量を減らしたい自動車用途が本命と見られている。

この度京都大学とデンソー、環境省らはCNFを使い自動車の重量を1割軽くする研究を始めた。燃費が改善し走行時の二酸化炭素発生量を減らす。自動車の重量を1割軽くすると燃費が5%向上し、車1台が10万キロ走る時の二酸化炭素排出量を約0.5トン削減出来るそうだ。

環境省は17年度からの3年間で総額120億円規模を支援し、家電や住宅、産業機械にも用途を広げる方針。

共同研究には京大を中心に約20近くの企業や大学が加わる予定。その分担項目はパルプを薬品で効率よくほぐす量産技術を開発するグループ、空調やドアの部品などをシアsクスルクループ、試作車を作るグループに別れる。

実用化の最大の課題は一般の車体に使う鋼材に比べて高い価格の引き下げだ。

政府は地球温暖化対策を目指す「パリ協定」を受け、30年に温暖化ガスの排出を13年比で26%削減する目標を掲げる。削減の為の革新的技術は100件ほど考えられているがCNFは大いに期待されている。

なおCNFの液体としての利用・製品応用については、過去の記事で記述しているのでご参照願いたい。

また今後共CNFを始めとした新素材については新しい情報が入り次第記事を書く予定。乞うご期待。

 

 

水を使わず古紙再生

紙の原料はパルプで日本は大部分を輸入に頼っている。

一度使用された紙は回収されて再生されてまた紙に生まれ変わる。

再生工程では古紙を解きほぐしたり、再生させるためには大量の水を使うというのが普通のやり方だった。

しかしセイコーエプソンは、オフィスで使った用紙等からいろいろな用途の紙を作る装置を開発した。その最大の特徴はなんと水を使わないのだ。

開発した装置では、溶解ではなく機械的な衝撃によって古紙を綿状の紙繊維に戻し印字を消す。

紙繊維を結合する際も粉体の結合素材を使う。

再生して作る紙は密度や厚みを制御でき、用途にあわせて色や難燃性を付与出来るそうだ。

コスト的にまだ新しい紙に及ばないが、顧客情報などの気密性の高い文書などの処理に使われていくと思われる。

しかしなんと言ってもオフィス内に設置した装置で処理が出来るということだ。

現在1分間に十数枚の再生が可能という。

セイコーエプソンは開発した装置を年内に「ペーパーラボ」のブランドで商品化する予定。

 

水素の常温、大量輸送方法

これまでの石油から水素をエネルギー源とする水素社会が到来しようしている。

その水素の製造方法には、①天然ガス採取時に副生する水素を分離膜等で分離補集する。②天然ガスを分解して取り出す。③水を分解して取り出す。等いろいろあるが、①の方法が現在最も現実的な技術とし行われている。

その水素の貯蔵や輸送方法はこれまで水素吸蔵合金に吸収させたり、水素ガスを高圧に圧縮して耐圧性のタンクに入れる方法や水素を摂氏マイナス253度迄冷却して液体にする方法が使用されてきた。しかしこれらの方法で大量の水素を貯蔵したり運搬するには新規な大掛かりなインフラを整備する必要がある。

因みに少量の場合の例となる、トヨタの燃料電池車「ミライ」は70MPa(700kg/cm2)の高圧に圧縮された水素が炭素繊維製のタンクにいれて使われている。

これに対し、従来からも提唱されてきたにもかかわらずにあまり大きく取り上げられなかった方法がいま脚光を浴びている。

それは水素をトルエンに吸収(反応)させてメチルシクロヘキサン(MCH)と言う化合物にすると言うもの。こうすると水素の輸送や保存が常温・常圧で出来るのである。

トルエンはベンゼンにメチル基が1個ついただけの炭化水素分子で、不飽和結合(2重結合)を3個分子内に持つので水素を6個付加することが出来る。この反応で水素ガスの体積を500分の1の液体に変えることが出来る。MCHは修正ペンなど日曜品にも使われているもので日常条件で安全に取り扱える。

ただMCHから水素を取り出す技術がこれまで確立されていなかった。触媒を使う方法はあったが、耐久性が1,2日で工業用としては使えなかった。

千代田化工はプラチナを1ナノメートルよりも細かくすることで耐久性が1年ある触媒を開発し、水素を常温で貯蔵・輸送してから効率的(回収率95%以上)に取り出す手法「SPERA水素システム」を開発し日本経済新聞社の地球環境技術賞の最優秀を受賞した。

想定される水素サプライチェーンは以下の通り

まず資源国で天然ガスを産出する際に水素だけを分離する。→現地のプラントでトルエンと反応させてMCHとする。→タンカーで日本に運びプラントで水素を取り出す。→MCHは再びトルエンとなる→資源国に運ばれてMCHとするため再利用される。このサイクルと繰り返す。

 

 

パワー3倍リチウムイオン新電池

現在あらゆるところに使われているリチウムイオン電池だが、通常のリチウムイオン電池は電解質に有機系液体が使われていて、液漏れや発火の不具合がおきていた。

これに対し、電解質に液体でななく、個体が使えればこれらの欠点はなくなり、更にコンパクトに出来るがこれまで十分な電流を流せる個体が見つかっていなかった。

この度トヨタ自動車と東工大の研究チームは電解質に特殊なセラミック粉末を使い従来の3倍以上のパワーがあり、大幅に小型化出来るリチウムイオン電池を開発した。

開発した個体電解質は、シリコンとリチウム、りん、硫黄、塩素の配分を工夫して作ったもので、電流が常温で3倍、100度で10倍になるという。

今回開発されたのは厚さ1mm以下なので、十分な容量を実現するには何層も重ねる必要があるという。

論文が英科学誌「ネイチャー・エナジー」に掲載された。

 

 

未来の冷蔵庫は磁気で冷やす?

新しい冷却方式である磁気冷却についての新聞記事(日経8月25日)を紹介します。

現在の冷蔵庫などで使われているヒートポンプ(HP)はコンプレッサー(圧縮機)を使い配管に閉じ込め冷媒ガスを循環させて周囲と熱を受け渡しする。

冷媒を膨張させ液体から気体へ変える時に気化熱を奪い周囲を冷やす。逆に冷媒を圧縮して気体化から液体に戻す時には外部に凝縮熱を出す仕組みだ。

この方式の原理は、のデメリットはコンプレッサーの騒音や振動が発生することや、地球温暖化のガスを使っていることだ。

これに対し、磁気ヒートポンプは圧縮機も冷媒も使わなず、モーターで永久磁石を回転させ、周りに配置した磁性体に磁気を加えたり消したりして発熱と吸熱を繰り返す。

この原理は、「磁気熱量効果」と呼ばれる現象で、磁気が生じる源となる「スピン」と言う電子の性質に由来している。電子のスピンがバラバラの状態から一定の向きに揃う時に発熱し、スピンの向きがバラバラに戻るとき吸熱する。

スピンの向きがバラバラの状態は揃った状態よりエネルギーが低いので、その差を熱エネルギーとして出し(発熱)入れ(吸熱)している。

この吸熱、発熱を引き起こすため、中央に回る永久磁石と周囲に0.6ミリの細かい磁性体の粒を周りに詰めたパイプ(温水用と冷水用)を配置した構造の装置となっている。

磁性体には、この高い性質を持つレアアースのガドリニウム(Gd)が使われているが、近年は安価な鉄やマンガンをべーすとした合金での開発も進んでいる。

現在製品化されいるのは、白物家電で世界首位の中国ハイアールがドイツの化学会社や米国の航空宇宙関連会社と共同で2015年に施策したワインクーラーがある。ワインは振動に弱いので磁気HPが適しているため。従来より35%効率がいいそうだ。

日本では空調設備最大手のサンデンホールディングスが東工大とまた自動車部品大手のデンソーが研究を行っている。

現在の冷却方式で使用している冷媒ガスは低温下では液体から気体に戻しにくいが、磁気HPならこうした効率は悪くならない。

将来の有望な製品化品目としては、業務用冷凍機や電気自動車(EV)用のエアコンがある。エンジンがないEVは冬場の暖房用の熱源がないため電気で暖房用の熱を作ると走行距離に大きく響く。そこでこの磁石で熱を発生させるヒートポンプが期待されている。

 

 

参考サイト1はここ

参考サイト2はここ

参考論文はここ

 

省エネの新アンモニア合成法を日本人が開発

アンモンニは工業的には極めて重要な基礎化学品である。

これまでの生産方法は、1906年にドイツのハーバーとボッシュが開発した「ハーバー・ボッシュ法」が使われてきた。

しかしこの方法は100気圧・400度以上高温・高圧での反応が必要なため非常にエネルギー多消費型合成法であった。このためこの合成に全人類の年間消費エネルギーの」なんと1%以上を使っているとされている。

この度、東京工業大学の細野秀雄教授と原亨和教授らの研究チームらは新しい触媒を使い、8気圧、300度で従来の10倍以上の性能の新しいアンモニア合成法を開発した。

その新しい触媒の概要はカルシウムアミドという化合物に希少金属ルテニウムのナノ粒子を付けたもの。触媒にバリウムを加えると700時間以上劣化しなかったそうだ。

このニュースはアンモニアが基礎化学品であり直接人間の日常生活に影響を与えるものではないため今の所大手新聞には大きく報道されていないが、世界の省エネに大きく貢献する様になることは間違いない。100年以上誰も成功しなかった技術なのである。

全世界の化学工業の省エネに貢献する画期的な発明であり、ノーベル賞級の可能性もある発明なのだ。

ついでに申し添えると、ご存知の方も多いと思うが、シャープの省エネ型液晶「IGZO」の開発者は細野教授なのです。

HDDはまだ生き延びるか

最近個体記憶デバイスSSDの記憶容量が数十ギガバイトを超えるものが開発され、その高速性、高密度、耐久性からこれまでのHDDは消えてゆくのではないかと思われている。

しかし高密度に関しては、最近東工大と大阪大学の共同研究の結果このHDDの容量を飛躍的に増加させる技術が開発された

その内容は、「スマネン」と呼ぶおわん型の分子を使い、その向きを反転する技術。

スマネンとは炭素原子21個の骨格の周囲に水素原子が結合していて、フラーレン(60個の炭素原子がサッカーボールの様に正5角形と正6角形の面からなる球状分子)の一部を切り取ったおわん型をしており、直径1ナノメートル、高さ0.3ナノメートルの分子。(詳細は最後に文献ご紹介)

このおわん型の分子の向きが反転する現象が走査型電子顕微鏡の観測時に発見された。

メモリーの書き込み、消去の基本原理は、このおわん型分子を整然と基板上に敷き詰め原子レベルで尖った針を近づけて1個ずつ上下を反転させることで可能。

スマネンに関しての追記

フラーレンの一部を切り取った基本構造には、2通りが考えられます。ひとつは5員環を中心とした分子がコランニュレン6員環を中心とした構造の方がスマネン。

スマネン、コランニュレンに関してはいくつか参考サイト、文献等がありますが

比較的見やすく分かり易いサイトはここ