写真のようなセメント工場は、地球温暖化の原因となる二酸化炭素の主要な発生源です。しかし、これらの汚染物質の一部は、新しいタイプの燃料に変換することができます。この塩は、数十年間、あるいはそれ以上の期間、安全に保管することが可能です。
これは、気候変動を遅らせたり、その影響を軽減したり、急速に変化する世界に地域社会が適応するのを助けたりする可能性のある新しい技術や取り組みを探るシリーズのもう一つの記事です。
一般的な温室効果ガスである二酸化炭素（CO2）を放出する活動は、地球の大気温暖化に寄与する。空気中からCO2を抽出して貯蔵するというアイデアは新しいものではない。しかし、特に経済的に余裕のある人々にとっては、それは難しい。新しいシステムは、CO2汚染の問題を少し違った方法で解決する。それは、気候温暖化ガスを化学的に燃料に変換するというものだ。
11月15日、ケンブリッジにあるマサチューセッツ工科大学（MIT）の研究者らは、画期的な研究成果を学術誌「Cell Reports Physical Science」に発表した。
彼らの新しいシステムは2つの部分に分かれている。最初の部分は、空気中の二酸化炭素をギ酸と呼ばれる分子に変換して燃料を生成することである。二酸化炭素と同様に、ギ酸は炭素原子1個、酸素原子2個、水素原子1個から構成されている。ギ酸には他にもいくつかの元素が含まれている。今回の研究では、ナトリウムまたはカリウムから誘導されるギ酸塩が使用された。
ほとんどの燃料電池は水素を燃料としているが、水素は可燃性ガスであり、輸送にはパイプラインと加圧タンクが必要となる。しかし、燃料電池はギ酸でも稼働させることができる。この新しいシステムの開発を主導した材料科学者の李菊氏によると、ギ酸は水素と同等のエネルギー含有量を持つという。李菊氏は、ギ酸には水素に比べていくつかの利点があると指摘した。より安全で、高圧貯蔵を必要としないのだ。
マサチューセッツ工科大学（MIT）の研究者たちは、二酸化炭素から生成したギ酸塩を試験するために燃料電池を開発した。まず、塩を水と混合した。次に、この混合物を燃料電池に供給した。燃料電池内部では、ギ酸塩が化学反応を起こして電子を放出した。これらの電子は燃料電池の負極から正極へと流れ、電気回路が完成した。この電子の流れ、すなわち電流は、実験期間中200時間にわたって存在した。
MITで李氏と共に研究を行っている材料科学者の張振氏は、彼のチームが10年以内にこの新技術を大規模に展開できると楽観視している。
MITの研究チームは、二酸化炭素を燃料生産の主要成分に変換する化学的手法を用いた。まず、二酸化炭素を高アルカリ溶液に浸した。彼らが選んだのは、一般的に苛性ソーダとして知られる水酸化ナトリウム（NaOH）である。これにより化学反応が起こり、重曹としてよく知られている炭酸水素ナトリウム（NaHCO3）が生成される。
そして電源を入れると、電流によって新たな化学反応が起こり、重曹分子中の酸素原子がすべて分解され、ギ酸ナトリウム（NaCHO2）が生成された。彼らのシステムは、二酸化炭素中の炭素のほぼすべて、つまり96％以上をこの塩に変換した。
酸素を除去するために必要なエネルギーは、ギ酸塩の化学結合に蓄えられています。李教授は、ギ酸塩はこのエネルギーを数十年間、潜在エネルギーを失うことなく蓄えることができると指摘しました。そして、燃料電池を通過する際に発電します。ギ酸塩の製造に使用される電力が太陽光、風力、または水力発電によるものであれば、燃料電池で発電される電力はクリーンエネルギー源となります。
李氏によると、この新技術を大規模に展開するには、「苛性ソーダの豊富な地質資源を見つける必要がある」とのことだ。彼はアルカリ玄武岩と呼ばれる岩石を研究した。これらの岩石は水と混ぜると苛性ソーダに変化する。
ファルザン・カゼミファル氏は、カリフォルニア州サンノゼ州立大学のエンジニアです。彼の研究は、二酸化炭素を地下の塩層に貯蔵することに焦点を当てています。空気中の二酸化炭素を除去することは常に困難で費用がかかるため、二酸化炭素をギ酸などの利用可能な製品に変換する方が収益性が高いと彼は言います。製品の販売価格が製造コストを相殺できる可能性があるのです。
大気中の二酸化炭素を回収する研究は数多く行われてきた。例えば、リーハイ大学の研究チームは最近、大気中の二酸化炭素をろ過して重曹に変換する新たな方法を報告した。また、他の研究グループは、二酸化炭素を特殊な岩石に貯蔵し、固体炭素に変換してエタノール（アルコール燃料）に加工する研究も行っている。これらのプロジェクトのほとんどは小規模であり、大気中の高濃度の二酸化炭素を削減する上で、まだ大きな効果は上げていない。
この画像は、二酸化炭素を燃料とする住宅を示しています。ここに示されている装置は、二酸化炭素（赤と白の泡の中の分子）をギ酸塩（青、赤、白、黒の泡）に変換します。このギ酸塩は燃料電池で使用され、発電に利用できます。
カゼミファー氏は、最善の選択肢は「まず温室効果ガスの排出量を削減すること」だと述べた。そのための方法の一つは、化石燃料を風力や太陽光などの再生可能エネルギー源に置き換えることだ。これは科学者たちが「脱炭素化」と呼ぶ移行の一環である。しかし、気候変動を止めるには多面的なアプローチが必要になると同氏は付け加えた。脱炭素化が難しい分野では、この新しい技術で炭素を回収する必要があると彼は述べた。例えば、製鉄所やセメント工場などが挙げられる。
MITの研究チームは、この新技術を太陽光発電や風力発電と組み合わせることにも利点を見出している。従来のバッテリーは、一度に数週間分のエネルギーを貯蔵するように設計されている。夏の太陽光を冬まで、あるいはそれ以上の期間貯蔵するには、別の方法が必要となる。「ギ酸燃料を使えば、季節的な貯蔵にとどまらず、世代を超えて貯蔵できる可能性がある」とリー氏は述べている。
金のように輝くことはないかもしれないが、「私は200トンの…鉱石を息子や娘たちに遺産として残すことができる」とリー氏は語った。
アルカリ性：溶液中で水酸化物イオン（OH⁻）を生成する化学物質を表す形容詞。このような溶液はアルカリ性（酸性とは対照的）と呼ばれ、pH値は7より大きい。
帯水層：地下に水を蓄えることができる岩石層。この用語は地下盆地にも適用される。
玄武岩：黒色の火山岩で、通常は非常に密度が高い（ただし、火山噴火によって大きなガス溜まりが残った場合は除く）。
結合：（化学において）分子内の原子（または原子群）間の半永久的な結合。結合を構成する原子間の引力によって形成される。結合が形成されると、原子は一体となって機能する。構成原子を分離するには、熱またはその他の放射線の形でエネルギーを分子に供給する必要がある。
炭素：地球上のあらゆる生命の物理的基盤となる化学元素。炭素はグラファイトやダイヤモンドの形で遊離して存在します。石炭、石灰石、石油の重要な成分であり、化学的に自己会合して、化学的、生物学的、商業的に価値のある多様な分子を形成することができます。（気候研究において）炭素という用語は、行動、製品、政策、またはプロセスが大気の長期的な温暖化に及ぼす可能性のある影響を指す際に、二酸化炭素とほぼ同義で使用されることがあります。
二酸化炭素（またはCO2）は、無色無臭の気体で、動物が呼吸する酸素が、摂取する炭素を多く含む食物と反応して生成されます。二酸化炭素は、石油や天然ガスなどの化石燃料を含む有機物が燃焼する際にも放出されます。二酸化炭素は、地球の大気中に熱を閉じ込める温室効果ガスです。植物は光合成によって二酸化炭素を酸素に変換し、この過程を利用して自らの食物を作り出します。
セメント：2つの材料を結合させ、固めて固体にするために使用される結合剤、または2つの材料を結合させるために使用される粘稠な接着剤。（建設）砂や砕石を結合させてコンクリートを形成するために使用される、細かく粉砕された材料。セメントは通常粉末状で作られる。しかし、水に濡れると泥状のスラリーになり、乾燥すると固まる。
化学物質：2つ以上の原子が一定の比率と構造で結合した物質。例えば、水は2つの水素原子が1つの酸素原子に結合した化学物質です。化学式はH₂Oです。「化学的」は、さまざまな化合物間の反応によって生じる物質の性質を表す形容詞としても使用できます。
化学結合：原子間に働く引力で、結合した元素が一体となって機能するのに十分な強さを持つもの。引力の強さは様々で、弱いものもあれば強いものもある。全ての結合は、電子を共有（または共有しようと試みる）ことによって原子を結びつけているように見える。
化学反応：物質の物理的な形態変化（例えば、固体から気体への変化）ではなく、分子や構造の再配列を伴うプロセス。
化学：物質の組成、構造、性質、相互作用を研究する科学の一分野。科学者はこの知識を用いて、未知の物質を研究したり、有用な物質を大量に複製したり、新しい有用な物質を設計・創造したりします。（化学化合物について）化学は、化合物の式、その調製方法、またはその性質の一部も指します。この分野で働く人々は化学者と呼ばれます。（社会科学において）人々が協力し、仲良くし、互いの会社を楽しむ能力。
気候変動：地球の気候における、重大かつ長期的な変化。これは自然現象として発生する場合もあれば、化石燃料の燃焼や森林伐採といった人間の活動の結果として発生する場合もある。
脱炭素化とは、二酸化炭素やメタンなどの炭素系温室効果ガスを大気中に排出する汚染技術、活動、エネルギー源から意図的に脱却することを指します。その目的は、気候変動の原因となる炭素ガスの量を削減することです。
電気：電荷の流れ。通常は、電子と呼ばれる負電荷を帯びた粒子の移動によって生じる。
電子：負の電荷を帯びた粒子で、通常は原子の外側の領域を周回している。また、固体中の電気の担体でもある。
エンジニア：科学と数学を用いて問題を解決する人。動詞として使う場合、エンジニアとは、問題や満たされていないニーズを解決するために、装置、材料、またはプロセスを設計することを指します。
エタノール：エチルアルコールとも呼ばれるアルコールの一種で、ビール、ワイン、蒸留酒などのアルコール飲料の原料となる。また、溶剤や燃料（例えば、ガソリンに混合されることが多い）としても使用される。
フィルター：（名詞）大きさやその他の特性に応じて、ある物質は通過させ、別の物質は通過させるもの。（動詞）大きさ、密度、電荷などの特性に基づいて特定の物質を選択するプロセス。（物理学において）光やその他の放射線を吸収したり、その成分の一部を選択的に通過させないようにする物質のスクリーン、プレート、または層。
ギ酸塩：脂肪酸の酸化形態であるギ酸の塩またはエステルの総称。（エステルとは、特定の酸の水素原子を特定の種類の有機基で置換することによって形成される炭素を基盤とする化合物である。多くの脂肪や精油は、天然に存在する脂肪酸エステルである。）
化石燃料：石炭、石油（原油）、天然ガスなど、地球内部で何百万年もかけて細菌、植物、動物の腐敗した遺骸から形成された燃料。
燃料：制御された化学反応または核反応によってエネルギーを放出する物質。化石燃料（石炭、天然ガス、石油）は、加熱（通常は燃焼に至るまで）されると化学反応によってエネルギーを放出する一般的な燃料である。
燃料電池：化学エネルギーを電気エネルギーに変換する装置。最も一般的な燃料は水素であり、その唯一の副産物は水蒸気である。
地質学：地球の物理的構造、構成物質、歴史、そして地球上で起こるプロセスなど、地球に関するあらゆる事柄を表す形容詞。この分野で働く人々は地質学者と呼ばれる。
地球温暖化：温室効果によって地球の大気全体の温度が徐々に上昇する現象。この現象は、二酸化炭素、クロロフルオロカーボン、その他のガスの大気中濃度の上昇によって引き起こされ、これらのガスの多くは人間の活動によって排出される。
水素：宇宙で最も軽い元素。気体としては無色無臭で、極めて燃えやすい。多くの燃料、脂肪、そして生体組織を構成する化学物質の成分である。陽子（原子核）とその周りを回る電子から構成される。
イノベーション：（動詞：革新する、形容詞：革新する）既存のアイデア、プロセス、または製品を、より新しく、よりスマートに、より効率的に、またはより有用にするための調整または改善。
水酸化ナトリウム（NaOH）溶液の総称。水酸化ナトリウムは、固形石鹸を作る際に、植物油や動物性脂肪、その他の成分と混ぜて用いられることが多い。
材料科学者：材料の原子構造や分子構造と、その全体的な特性との関係を研究する研究者。材料科学者は、新しい材料を開発したり、既存の材料を分析したりする。密度、強度、融点といった材料の全体的な特性を分析することで、エンジニアや他の研究者は、新しい用途に最適な材料を選択することができる。
分子：化学的に中性の原子の集まりで、化合物の最小単位を表す。分子は、1種類の原子から構成される場合もあれば、異なる種類の原子から構成される場合もある。例えば、空気中の酸素は2つの酸素原子（O2）から構成され、水は2つの水素原子と1つの酸素原子（H2O）から構成される。
汚染物質：空気、水、人、食品などを汚染する物質。汚染物質には、農薬などの化学物質が含まれる。また、放射線、過度の熱や光なども汚染物質となり得る。雑草やその他の外来種も、生物付着物の一種とみなされることがある。
強力な：非常に強い、または強力なもの（細菌、毒、薬、酸など）を指す形容詞。
再生可能：水、植物、日光、風など、無限に補充できる資源を指す形容詞。これは、供給量が限られており、枯渇する可能性のある非再生可能資源とは対照的である。非再生可能資源には、石油（およびその他の化石燃料）や、比較的希少な元素や鉱物などが含まれる。