「廃棄物は水だけ」再生可能で完全にクリーンなエネルギー

水だけが廃棄物となる、完全に再生可能でクリーンなエネルギーの生産を可能にする研究が行われています。

Scientists are homing in on a recipe that would enable the future production of entirely renewable, clean energy from which water would be the only waste product.

参照元：https://www.tcd.ie/news_events/articles/scientists-home-in-on-recipe-for-entirely-renewable-energy/
– トリニティ・カレッジ・ダブリン Trinity College Dublin. 7th July 2021 –

トリニティ・カレッジ・ダブリンの科学者たちは、水だけが廃棄物となる、完全に再生可能でクリーンなエネルギーの生産を可能にするレシピに注目しています。

化学、理論物理学、人工知能などの専門知識を駆使したこのチームは、一見不可能に見えることがいつの日か現実になると信じて、レシピの微調整を行っています。

この分野の初期の研究は、2年弱前に報告され、期待されていました。

今回、その期待が大きく膨らみ、有力誌「Cell Reports Physical Science」に掲載されました。

人類の二酸化炭素（CO2）排出量の削減は、21世紀の文明が直面している最大の課題といっても過言ではありません。

希望の光は、再生可能な電力を使って水（H2O）を分解し、エネルギーに富んだグリーンな水素（H2）を製造し、それを貯蔵して燃料電池に利用するというアイデアです。

風力や太陽エネルギーで水を分解するための電気を作ることができれば、再生可能エネルギーが利用できないときにエネルギーを蓄えることができるため、特に注目されています。

しかし、水は非常に安定しているため、分解には大きなエネルギーを必要とし、得られるエネルギーよりも多くのエネルギーを使っては意味がありません。

特に、水を分解して水素を生成する際のボトルネックとなる反応、酸素の生成に伴う「過大電位」が大きなハードルとなります。

ルテニウムやイリジウムなど、水を分解するのに有効な元素はありますが、世界的に実用化するには非常に高価で希少価値があります。

他の安価な選択肢は、その効率や堅牢性の点で問題があるようです。

実際、現在のところ、費用対効果が高く、長期間にわたって安定した性能を発揮する触媒は見つかっていません。

では、どのようにしてこの謎を解くのでしょうか？

白衣、メガネ、ビーカー、変なにおいなどを想像する前に、この作業はすべてコンピュータを使って行われました。

化学者と理論物理学者が集まったトリニティのチームは、化学の知識と非常に強力なコンピュータを組み合わせて、触媒作用の「聖杯」の1つを発見しました。

2年前、研究チームは、科学が反応性の高い触媒の一部の活性を過小評価していたことを発見し、その結果、恐ろしい「オーバーポテンシャル」のハードルが簡単にクリアできるようになったのです。

さらに、水分解触媒の効率を予測するために長年使われてきた理論モデルを改良することで、とらえどころのない「緑色の弾丸」のような触媒をはるかに容易に探せるようになったのです。

その後、自動化されたコンビナトリアル・アプローチと高度な量子化学モデリングを用いて検索を行った結果、地球上に豊富に存在する9種類の金属とリガンド（触媒を生成するためにそれらを結合させるもの）の組み合わせが、実験的調査のための有望な手がかりとして特定されました。

その中でも特に有望なのは、3つの金属（クロム、マンガン、鉄）だそうです。

今後は、これらの主要成分を含む数千種類の触媒を溶解槽に入れて、その能力を評価しながら、魔法の組み合わせを探していくことになります。

画期的な研究の上級著者で、トリニティの化学部門でウッシャー助教授を務めるマックス・ガルシア・メルコール氏は話します。

「2年前、私たちの研究によって、触媒の聖杯を探すことが少しだけ可能になりました。今回は、検索範囲を大幅に狭め、検索方法を高速化することで、さらに大きな飛躍を遂げました。」

「これまでは、膨大な量の干し草の中から小さな針を探していました。これまでは、巨大な干し草の中の小さな針を探していましたが、干し草のサイズを小さくしたことで、残っている干し草をたくさん集めることができました。2年前は17の触媒をスクリーニングしていましたが、現在は444の触媒をスクリーニングしており、8万の「スクリーニング可能な」触媒がデータベースに登録される日もそう遠くないと考えています。」

「どうすれば持続可能な生活ができるか？これは、21世紀の社会が直面している最大かつ最も差し迫った問題と言っても過言ではありません。私は、あらゆる分野の研究者がその答えを導き出せると信じています。私たちの研究の特別な強みは、学際的なアプローチをとっていることだと感じています。」

トリニティの博士候補生であるマイケル・クレイグ氏は、このジャーナル記事の第一著者です。彼はこう付け加えました。

「この最新の研究は、このエネルギーを蓄えるための持続可能な方法を最適化するための理論的基盤を提供し、さらに、最も有望な特定の金属をピンポイントで特定することで、それを超えています。」

「これまで多くの研究では、効果的でありながら非常に高価な金属が候補として取り上げられてきましたが、これらの金属は社会に必要な量の水素を貯蔵するのに必要な力を発揮するにはあまりにも希少です。私たちは、長期的に実行可能な選択肢を見つけることに集中しています。そして、そうなることを願っています。」

この研究は、アイルランド研究評議会およびアイルランド・センター・フォー・ハイエンド・コンピューティング（ICHEC）の支援を受けており、チームはアイルランドの最新鋭スーパーコンピュータ施設で450万CPU時間の恩恵を受けています。