サステナビリティ
超音波技術が大気水収集を加速
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TL;DR
MITの超音波装置は、熱ベースのシステムに比べて最大45倍の効率で湿った空気から水を抽出でき、サイクル時間を数時間から数分に短縮します。再生可能エネルギーと組み合わせて規模拡大すれば、乾燥した遠隔地域で実用的なオフグリッドの清浄水生成が可能になるでしょう。
薄い空気からの清浄水: 大気水収集の基礎
世界の多くの地域で、淡水は高価です。アクセス手段の一つとして淡水化が考えられますが、これまでのところ、非常にエネルギー集約的な手法です、太陽光技術の進歩により最近現実に近づいているにもかかわらず。
海水淡水化は、中央アジア、モンゴル、チリの山岳部、またはサハラ砂漠の大部分など、多くの内陸の乾燥地域でも選択肢ではありません。
別の選択肢は、空気中に存在する水分を捕捉することです。多くの砂漠は実際にはかなり高い大気湿度を持っていますが、気候的な理由で雨や雲が形成されません。
これが大気水収集の約束です。以前、シリコンコーティングと組み合わせた受動冷却が重力ベースの水収集効率を向上させる方法と、新しい吸着ポリマーが同様に役立つ可能性について取り上げました。
研究者は現在、大気湿度収集のさらなる改善に取り組んでおり、SF小説『デューン』の水収集「ウィンドトラップ」に近づいています。
MITのチームは、ドイツ企業SmarAct Metrology GmbH & Co. KGと協力し、超音波を用いて大気水吸着の効率を向上させました。彼らはその結果をNature Communications1に「超音波抽出によって実現された高効率大気水収集」というタイトルで掲載しました。
大気水吸着の解説
空気から水を収集する方法の一つは、水を「吸着」するポリマーを使用することです。
吸着は、固体物質（「吸着剤」と呼ばれる）が表面に接触するガスや溶液の分子を引き付ける能力であり、ここでは空気中に浮遊する水蒸気や水滴を指します。
日常生活では、商業包装に使われるシリカゲルなどの吸着材を知っています。これは実際に比較的効率的なプロセスで、かなりの量の環境水を集めることができます。
問題は、ポリマーから水を放出させることです。通常、これらのポリマーを脱着させるには約100°Cの熱が必要であり、当然ながらエネルギー効率が低くコストがかかります。
“水を非常にうまく捕捉する材料は、その水を手放したがりません。したがって、材料から水を引き出すために多くのエネルギーと貴重な時間が必要です。”
Svetlana Boriskina, -Principal research scientist
新しいポリマーでも低温での脱着は、熱を用いた水の放出が数十分から数時間と遅くなるという問題があります。その結果、多くの水吸着システムは夜間に水を捕捉し、昼間に太陽熱で放出する必要があります。
対照的に、超音波を使用すれば水収集時間を数分に短縮でき、必要に応じて実行可能です。
超音波の可能性
超音波、または超音波波は、20キロヘルツ（20,000サイクル/秒）以上の周波数で伝わる音圧波です。近年、バイオプリンティングや遠隔医療機器への電力供給などの高度な応用でますます利用されています。
超音波は、吸着した材料から水分子を分離させるのにちょうど適切な周波数で振動するようです。
研究者は、電圧が加わると振動する、鉛ジルコニウムチタン酸塩（PZT）製の平らなセラミックリングを設計しました。
“水が波と踊っているようで、この的確な揺らぎが水分子を放出させる運動量を生み出し、滴として揺れ出すのが見えます。”
Svetlana Boriskina, -Principal research scientist
水を吸着させるために、研究者は弾性が異なる複数のPAM‑LiCl AWHハイドロゲルを使用し、すべてリチウムと塩化物イオンを組み込んで空気中の水分を捕捉しました。
テストでは、装置は数分で各サンプルを乾燥させるのに十分な水を揺り出すことができました。
電子顕微鏡でハイドロゲルを検査した結果、超音波がゲルを損傷させていないことが確認され、実用に耐える耐久性があることが示されました。
大幅な効率向上
これまで熱駆動の水放出は一度しか行われず、プロセスの効率は非常に低く、最先端の装置でさえわずか9.5％の効率でした。
対照的に、MITのシステムは昼間に繰り返し水を生成でき、効率は最大428％、すなわち45倍の向上となります。
「1日あたりどれだけの水を抽出できるかが重要です」と彼女は言います。「超音波を使えば水を迅速に回収でき、何度もサイクルできます。これにより1日で大量の水が得られます。」
Svetlana Boriskina, -Principal research scientist
装置は熱（ジュール効果）で少量のエネルギーを浪費しますが、これまでに開発されたすべての水収集方法よりもはるかに効率的です。
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| 方法 | エネルギー源 | サイクル速度 | 効率（％） |
|---|---|---|---|
| 従来の熱ベースAWH | 太陽熱 | サイクルあたり時間（時間） | ~9.5% |
| MIT 超音波抽出 | 電力（太陽光/風力） | サイクルあたり2分 | ~428% |
“人々は大気から水を収集する方法を探してきました。これは特に砂漠地域や淡水化すらできない場所にとって大きな水源となり得ます。
現在、私たちは水を迅速かつ効率的に回収する方法を持っています。”
Svetlana Boriskina, -Principal research scientist
乾燥・遠隔地域での実際の導入
まず、この装置の最適な応用は、エネルギーと淡水インフラへのアクセスが限られた遠隔砂漠地域になるでしょう。
熱ベースの吸着とは異なり、この装置は超音波を生成するために電力が必要です。そのため、分散型エネルギー供給が必要となります。具体的には、以下のいずれかです：
- MITの実験で使用されたような太陽光パネル。
- 風力で、夜間に湿度がさらに高くなるため、1時間あたりの2分水収集サイクルを増やすことが可能です。
- 再生可能エネルギー発電＋バッテリーシステムで24時間稼働。
最適なサイクル頻度をテストした結果、研究者は材料が1時間水を吸収し、続いて超音波で2分間に放出し、サイクルを繰り返すリズムが理想的であることを発見しました。
さらに重要なのは、超音波で水を抽出する際に必要なエネルギーが一定であり、熱ベースの方法で見られるような徐々の低下が見られなかったことです。
大気水収集の将来の改善
次世代吸着材
この方法はリチウムハイドロゲルを使用しましたが、他にも多くの吸着材が存在します：他のハイドロゲル、金属有機骨格体（MOF）、マイクロ・ナノ繊維マット、そしてそれらの組み合わせです。
それぞれが代替抽出方法との適合性を高めるために再評価・再設計が必要です。
これら他の吸着材の劣化耐性も評価する必要があります。
超音波効率の向上
NASAがPZTアクチュエータを最大1,000億サイクル、580日間にわたってテストし、目立った損傷や性能低下が見られなかったことを考えると、装置の超音波生成部は非常に耐久性が高いと期待されます。
しかしながら、今回の実験で使用された設計は電力を超音波に変換する効率が低く、わずか17〜19％の効率です。
単一のリング形アクチュエータの代わりに、1〜3層の複合圧電トランスデューサーアレイ装置を使用すれば、最大35％の効率が期待できます。
より大きなPZTベースの超音波は、ここでテストされた小型実験装置よりもはるかに効率的になる可能性があります。したがって、使用するPZT材料を校正・改良すれば、全体で1,000％以上の効率が実現できるかもしれません。
水生成タワーへの展望？
もう一つの重要な改善点は、超音波抽出は吸着材の表面を日光にさらす必要がないことです。そのため、装置は原則として垂直方向の列数に制限なく、上下に積み重ねることが可能です。
太陽光を吸収する大規模なフィールドの代わりに、各積み重ね装置から水を流す大型タワーを構築すれば、より集中型の設計が可能です。
水不足を解決する企業
XYL 価格チャート
欧州のVeoliaと共に、Xylemは水浄化、廃水処理、淡水化の世界的リーダーです。従業員は23,000人以上（うち6,000人以上がエンジニア）で、150か国で事業を展開し、米国に重点を置き、35,000以上の直接的な産業顧客を抱えています。
主な市場は自治体の飲料水と廃水ですが、医療、電力、食品・飲料、石油・ガス、マイクロエレクトロニクスなど他のセクターにも水関連の専用ソリューションを提供しています。
出典: Xylem
Xylemは、オゾン発生装置、UVランプ、淡水化膜、超純水生成装置など、水を浄化または生成するための重要な特許取得機器を提供できます。
しかし、タービン、ポンプ、配管、注入装置、ソフトウェアなど、水関連の運用に同様に重要な「シンプル」な機器や、保守・修理・設置サービスも提供しており、ほとんどの水関連アプリケーションに対するワンストップショップとなっています。
出典: Xylem
水市場は依然として非常に分散しており、Xylemはセクター内で最大手の一つですが、800億ドル規模の対象市場のうち「わずか」10％のシェアにとどまっています。
同社は売上の約4％を研究開発に投資しています。永久化学物質（PFAS）に関する新規規制の恩恵を受ける見込みで、6,000以上の公共施設がPFAS処理を必要としています。
Xylemは着実に成長しており、純利益は2012年の2億9700万ドルから2023年には6億0900万ドルへと増加し、EBITDAマージンは安定した17〜19％を維持しています。
全体として、同社の投資プロファイルは、しばしば景気循環に左右される産業企業というより、全体経済と同調、あるいはやや上回る速度で成長する公益事業会社に近いものとなっています。
最新のXylem（XYL）株式ニュースと開発状況
参照研究
1. Shuvo, I.I., Díaz-Marín, C.D., Christen, M. et al. 超音波抽出によって実現された高効率大気水収集. Nature Communications 16, 9947 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-65586-2
