「太陽エネルギーが新たな展開を迎える」

New developments in solar energy

植物が太陽エネルギーを非常に効率的に利用する方法には、科学者や技術者の長い間の関心があります。太陽光、水、二酸化炭素の組み合わせが、彼らが成長し、花を咲かせ、果物を生産するために必要な燃料を提供します。これは非常に効率的で、環境に害を与えないシステムです。

現在、研究者たちは自然から学び、太陽光を利用した人工光合成に焦点を当てた新興の技術の設計図を提供するために自然に頼っています。この技術は、二酸化炭素、水、太陽光からエタノールとプロパノールを生成します。生成される太陽燃料は、車や船、機械の動力源として使用することができます。

「人工太陽光葉は、完全に再生可能で炭素ゼロの燃料を生成し、多くの産業や多くの状況で使用することができる可能性があります」とケンブリッジ大学化学部の教授であり、2023年5月にNature Energyに掲載されたその技術に関する論文のシニア著者であるアーウィン・ライスナー氏は説明しています。

太陽光葉の技術は化石燃料の代替品を提供するだけでなく、宇宙や他の惑星で有機化学物質の新しいタイプを作り出し、酸素を生成するための舞台を提供する可能性もあります。「これは非常に多目的で可能性のある技術です」とケンブリッジ大学のシニアポストドクトラル研究員であり、この論文の主著者であるモティアル・ラハマン氏は語っています。

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自然からの燃料技術

空気中から燃料を作り出すアイデアは特に新しいものではありません。1970年代以来、研究者たちは太陽エネルギーを使用して水を水素や酸素などの要素から成る燃料源に変換する方法を探索し始めました。しかし、これらの燃料を生成するためのコストや、それらを受け入れるためのインフラの変換には高いコストがかかります。

ここ15年ほどの間、研究者たちはさらに、太陽光だけを使用してCO2とH2Oをエタノールに変換するアイデアを探求してきました。今日、「太陽電池の表面に直接光触媒を取り付けた人工葉がいくつかの種類存在する」と信州大学の特任教授である土門和成氏は語っています。土門氏は、水から水素と酸素を生成するナノメートルスケールの太陽光半導体粒子についての研究も行っています。

ケンブリッジ大学の科学者たちのブレークスルーが特筆すべき理由は、彼らが一つのステップで光合成プロセスを行い、高エネルギー密度の燃料を生成する方法を見つけたことです。「これは完全に統合された装置です」とライスナー氏は述べています。「その結果、この技術は実用的な現実に非常に近づきました」。

人工葉は、光陰極と光陽極の2つの部分から構成されています。一方では、銅パラジウム触媒を含むペロブスカイト太陽電池が光を受け取り、二酸化炭素を多炭素アルコールに変換します。他方では、ナノ構造のビスマスバナジウム酸化物触媒が光陽極として使用され、水を酸素に変換します。

燃料を即座に燃やすことも、タンクに貯蔵することも可能です。人工光合成プロセスは、ラハマン氏によれば、低い日光でも機能します。

葉はほぼあらゆる形状やサイズに形成することができ、より大きなアレイに織り込むこともできます。この技術は、車両や遠隔地、太陽光パネルが適切で費用効果の高くない場所での使用を含む、幅広い用途に理想的です。また、木材、石炭、その他の汚染物を避けるためのクリーンな調理方法を提供することも可能です。「発展途上国では、毎年300〜400万人がクリーンな燃料にアクセスできないために死亡しています」とライスナー氏は述べています。

しかし、ライスナー氏は、この技術はエネルギーをバッテリーに蓄える従来の太陽光と競合するためのものではないと付け加えています。「それは完全に補完的な技術です」。

太陽エネルギーの利点

太陽光葉は明るい未来を持っているようですが、商業レベルに達するまでには10年以上かかる可能性があります。「実用化に向けて解決しなければならない問題はまだいくつかありますが、この研究は科学的なレベルでのトップクラスの成果です」と信州大学の土門氏は語っています。

水素と比べたこの技術の主な利点は、既存のインフラを低コストで変換し、太陽光で生成されたエタノール燃料を収容できることです。リースナー氏は、「タンク、パイプライン、その他の要素は既に存在しており、これらの液体燃料に対応するために最小限の変更が必要です」と述べています。

また、リースナー氏は、人工の葉が水上に浮かび、光を集め燃料を生産する大規模なグループを想像しています。「これにより、土地利用の問題が解消され、海洋やその他の場所、水処理にも太陽発電装置を使用する方法が開けます」と述べています。同じ技術は、月や火星の構造物内で酸素を生成することも可能であり、プラスチック廃棄物をエネルギーに変えることもできます。

現時点では、ケンブリッジの研究者たちは、人工光合成プロセスを加速する方法を研究しています。これは自然界で行われる速度とほぼ同等です。彼らはまた、この技術を大規模な使用に拡大する方法も探っています。リースナー氏は「人工の葉と太陽燃料は、より安価で持続可能な未来への道を開く可能性があります」と述べています。

サミュエル・グリーンガードは、米国オレゴン州ウェストリンに拠点を置く作家兼ジャーナリストです。

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