サステナビリティ
新たに発見された光触媒材料で二酸化炭素問題に取り組む
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地球規模の二酸化炭素排出量は、今日直面している最も深刻な課題です。これらの排出は過去75年間で特に増加し、存在を脅かすレベルにまで達しています。
1950年、世界は60億トンの二酸化炭素を排出しました。1990年までにそれは200億トンに増加しました。そして現在は350億トン以上です。米国だけでも1751年以降に約4000億トンの二酸化炭素を排出しており、これまでの総排出量の約4分の1に相当します。1751年以降、世界全体の二酸化炭素排出累計は1.5兆トンに達しています。
二酸化炭素は化石燃料の燃焼、山火事、火山噴火など、さまざまな源から発生します。熱を閉じ込めるガスであるため有害です。二酸化炭素やその他の温室効果ガスは、地球が宇宙へ放射できるはずの熱を捕らえるブランケットやキャップのような役割を果たします。
さらに懸念すべきは、二酸化炭素の熱捕捉能力が非常に大きく、大気中のごく少量の二酸化炭素が莫大な熱を閉じ込めることです。先ほど述べた350億トン以上の排出量は、大気の0.04%という存在だけで生じています。
大気中の二酸化炭素の存在がどれほど微小かを説明する際、コロンビア大学ランモット・ドーハティ地球観測所の気候科学者ジェイソン・スマーンドは次のたとえを示しました：
「自分と同じ体格の人がビールを2本飲むと、血中アルコール濃度は約0.04%になるでしょう。」
しかし、彼は続けて、少量の物質でも修復不可能な悪影響をもたらすことがあると警告します。彼は次のように述べています：
「人を毒するのに必要なシアン化物はそれほど多くありません。その物質が大きなシステムとどのように相互作用し、システムにどのような影響を与えるかが重要です。」
したがって、二酸化炭素やその他の温室効果ガスの熱捕捉特性は、極めて緊急かつ真摯に対処すべき脅威です。
UNEPが主催するイニシアチブであるClimate and Clean Air Coalitionは、この緊急性を最も明快に認めています。次のように述べています：
「地球温暖化を摂氏2度以下に抑える時間が残り少なくなっています。」
委員会委員長であり、Institute for Governance and International Development（IGSD）会長のDurwood Zaelkeによれば：
「気候変動のような速く進む問題を、遅い解決策で解決することはできません。スピードが新たな指標です——2030年までに短命気候汚染物質（SLCP）を削減し、2050年までにクリーンエネルギーとネットゼロ排出を実現し、すでに排出した二酸化炭素の増大するシェアを除去する速度です。」
Zaelkeはさらに目標を次のように定量化しています：
「SLCPを削減することで、世紀中頃までに0.6度の温暖化を防げ、1.5度に抑えるために大きな役割を果たします。」
ここでSLCPは短命気候汚染物質（short-lived climate pollutants）の略です。二酸化炭素問題への対処は喫緊の課題です。前例のない緊急性に対応するには革新的な解決策が不可欠です。以下のセクションでは、最近登場した革新的な方法について議論します。
研究者たちが二酸化炭素を持続可能な燃料に変える方法を示す
ノッティンガム大学化学部、バーミンガム大学、クイーンズランド大学、ウルム大学の代表者からなる国際研究チームは、材料を設計しました。この材料は新しいグリーン燃料の生産において重要かつ決定的な形と見なすことができます。
材料について詳しく
この材料は、ナノ結晶状炭化窒素に固定された銅から派生しています。銅原子はナノ結晶構造内に位置し、炭化窒素から二酸化炭素へ電子が移動できるようにします。この電子移動は、太陽光照射下で二酸化炭素からメタノールを生成する上で極めて重要です。
もしこの手法がスケールアップに成功すれば、二酸化炭素がもたらす脅威への対処における最も重要な課題の一つを解決するでしょう。
地球温暖化の最大の要因である二酸化炭素は、有用な製品に変換可能です。しかし、これまでの変換プロセスは化石燃料由来の水素に依存していました。今回、初めて太陽光が利用されています。
この研究は、光触媒および電気触媒に基づく代替手法の開発が必要であることを裏付けています。これらのプロセスは、持続可能な太陽エネルギーと豊富な水を効率的に活用します。
化学部の研究員であるMadasamy Thangamuthu博士によれば：
「光触媒に使用される材料は多種多様です。光触媒が光を吸収し、電荷キャリアを高効率で分離することが重要です。我々のアプローチでは、材料をナノスケールで制御しています。結晶性ナノスケールドメインを持つ新しい形態の炭化窒素を開発し、光との効率的な相互作用と十分な電荷分離を実現しました。」
プロセスについて詳しく
研究で使用された加熱プロセスは、炭化窒素が光触媒性能を最大化するために必要な結晶性レベルに達することを保証しました。また、溶剤を使用せずに銅を堆積させるためにマグネトロンスパッタリングが行われました。この溶剤不使用により、半導体と金属原子が密接に接触できました。
ノッティンガム大学化学部の博士課程学生Tara LeMercierによれば：
「銅がなくても、新しい形態の炭化窒素は従来の炭化窒素の44倍の活性を示します。しかし驚くべきことに、炭化窒素1gに対して銅1mgを添加するだけで効率が4倍に増加しました。最も重要なのは、選択性がメタン（別の温室効果ガス）から、価値あるグリーン燃料であるメタノールへと変わったことです。」
全体として、この実験は持続可能な元素だけで構成された触媒を使用した点で先駆的でした。化学部のAndrei Khlobystov教授によれば：
「二酸化炭素の価値化は、英国のネットゼロ目標達成の鍵です。この重要な反応のために触媒材料の持続可能性を確保することは極めて重要です。新しい触媒の大きな利点は、炭素、窒素、銅という持続可能な元素で構成されており、いずれも地球上に豊富に存在することです。」
世界中の企業が炭素をグリーンエネルギーに変換する取り組みを行っています。これらの企業の中には、非常にエキサイティングで革新的、かつ効果的なソリューションを提供してくれるものもあります。
#1. Climeworks
Climeworksは、空気中の二酸化炭素を除去する直接空気回収（DAC）および貯蔵施設で知られています。炭素除去施設を運営するだけでなく、他社と提携してグローバルなネットゼロ戦略のための高品質なソリューションのフルポートフォリオを確保しています。
同社は世界中で活動しており、特定のニーズに合わせた多様なソリューションを提供しています。例えば、アイスランドでは、貯蔵パートナーのCarbfixの協力により、二酸化炭素を地下深くに輸送し、自然プロセスで玄武岩と反応させ、有害な排出物を石に変換し、1万年以上安全に封じ込めることができます。
米国では、Climeworksは米国エネルギー省の地域DACハブプログラムの下で3つのプロジェクトを発表しました。そのうちのProject Cypressは、Climeworksが開発パートナーとして関与し、直接空気回収技術を展開して大気中の過剰な二酸化炭素（CO2）を除去し、長期的にハリケーン、干ばつ、洪水などの極端な気象事象の悪化を防止します。
スイス・チューリッヒでは、Climeworksは炭素中立の野菜生産を支援する施設を開発しました。 この直接空気回収プラントはガスを温室に送り込み、植物の光合成を促進し、収量を最大20%向上させます。 Climeworksは、年間約900トンのCO2を大気から抽出すると述べています。
Carbon RemovalセンターのMatt Lucasによれば：
「Climeworksの装置のように空気からCO2を捕捉する技術は、太陽光、風力、バッテリーと同様に工場製造された製品であり、急激な価格低下の可能性があります。」
2024年4月9日、Climeworksはノルウェー政府の気候環境省が所有する国営企業Enovaから2.2百万CHF（2600万NOK）のノルウェー資金を受け取りました。
2年前、ClimeworksはCHF 600百万のエクイティラウンドに署名しました（USD 6億5千万）。投資家リストには、世界的に有名で大規模なテクノロジー・インフラ投資機関が多数含まれています。
#2. Heirloom Carbon
Heirloom Carbonは米国で最初の商業用直接空気回収施設を建設しました。再生可能エネルギーで完全に稼働し、大気中の二酸化炭素を永久に除去します。
同社は炭素鉱化プロセスを活用しています。石灰岩などの自然炭素シンクとして知られる岩石は、時間とともに大量のCO2を捕捉します。地球上で最も豊富な岩石の一つである石灰岩は、長年にわたり大気中のCO2を大量に捕捉できます。Heirloom Carbonの技術はこのプロセスを数日へと短縮します。
Heirloomの技術には複数の利点があります。二酸化炭素を永久に除去し、地下に安全に保管し続けます。また、施設は平方メートルあたり50トンのCO2を除去でき、耕作不可能な土地にも設置できるため、環境フットプリントが最小限です。
時間が経つにつれ、Heirloomはサービスが最適なコスト効率になると考えており、2035年までに二酸化炭素1トンあたり100米ドル未満のカーボン除去クレジットになると見込んでいます。
2022年4月、Heirloomはマスク財団とXPRIZEからの助成金として100万米ドルを調達しました。2022年3月17日にAENUと他12社の投資家からシリーズAで5300万米ドルを調達しました。2021年6月、National Science Foundationから25万5737米ドルの助成金を受け取りました。
包括的な炭素排出対策計画に焦点を当てる
このような計画は、炭素排出の全ライフサイクルを見渡し、最も賢明で現場最適化された効率的な方法であらゆる場所で対処することを目指します。例えば、Climate TRACEは衛星と機械学習を用いて世界的な排出ホットスポットを特定します。一方、CarbonChainは、人工知能を活用して企業の現在の排出をプロファイルし、削減方法を見つけることでサプライチェーンの排出削減を支援します。エネルギー漏れの認識もこの包括的計画の一部です。
特定プロセスが完了すると、二酸化炭素問題に対処するための3つの方法があります。第一は二酸化炭素排出によるさらなる気候被害を止めることに焦点を当てます。第二はエネルギー効率を高め、化石燃料への依存を削減することです。第三は、3つの中で最も野心的で、既に起こった被害を逆転させることを試みます。
具体的な解決策として、多くのアイデアが進化しています。科学者は、成長しながら大気中のCO2を吸収し、同時に再生可能エネルギー源となる植物や海藻の栽培を提唱しています。さらに画期的で根本的に革新的な実験として、太陽エネルギーを収集できる新しいポリマーがあります。これらのポリマーはテキスタイルに応用でき、衣服が緑色で移動可能なエネルギー源として二重の役割を果たします。
長年にわたり、被害逆転の分野で多くの魅力的な応用と解決策が開発されてきました。例えば、科学者は産業排ガスからCO2を放出し、コンクリートの主要成分である合成石灰岩に変換する炭素ベースのコンクリートに取り組んでいます。この点で、コンクリートの生産が世界のCO2排出量の4%から8%を占めることを忘れてはなりません。
炭素を食べる作物や炭素固定肥料などの開発も進行中です。
これらすべてのイノベーションを踏まえ、2030年までに1990年レベルから55%以上の削減を確保しなければなりません。化石燃料からクリーンで再生可能エネルギーへの移行分野でさらに多くの取り組みが必要であると同時に、森林伐採の停止、土地の持続可能な利用、自然の回復においても世界的な協力が効果的である必要があります。
持続的な取り組みにより、私たちは大気中に放出される温室効果ガスの量と、森林、海洋、土壌におけるこれらガスの捕獲・貯蔵を最終的にバランスさせることができるでしょう。
