世界は、石油文明からマグネシウム文明へ
2009年7月 3日 山路達也の「エコ技術研究者に訊く」
1970年生まれ。雑誌編集者を経て、フリーの編集者・ライターとして独立。
ネットカルチャー・IT・環境系解説記事などで活動中。
『進化するケータイの科学』、『弾言』（小飼弾氏との共著、アスペクト）、『マグネシウム文明論』（矢部孝教授との共著、PHP新書）など。
「世界は、石油文明からマグネシウム文明」で紹介した、東京工業大学 矢部孝教授の研究が「マグネシウム文明論」としてPHP新書より発売されました。
本書では、マグネシウム循環社会へのロードマップや温室効果ガス削減の試算も紹介しています。
化石燃料の枯渇が迫っているが、自然エネルギーだけで今の世界経済を支えることはできない。
理想のエネルギーと言われる核融合への道もまだ遠い……。
だが今、エネルギーや資源の問題を一挙に解決するかもしれない研究が進んでいる。
その鍵はマグネシウム。
海水に無尽蔵に含まれるマグネシウムを取り出し、エネルギー源として利用。
生じた酸化マグネシウムは、太陽光レーザーを使ってマグネシウムに精錬する。
この壮大な計画に取り組むのが、東京工業大学の矢部孝教授である。
マグネシウムを燃やして、エネルギー源にする
次世代エネルギーとして、マグネシウムを用いる研究を進めているとお聞きしました。
マグネシウムがよく燃えるのは知られていますが、なぜ今までエネルギー源として使われてこなかったのでしょうか？
ほとんどの金属は粉末にすればよく燃えて、燃料として使うことができます。
昔から、金属燃料エンジンの研究はどの自動車会社もやってきていますし、実際にマグネシウムを配合したロケット燃料も作られています。
では、なぜマグネシウムが一般的なエネルギー源として使われていないかといえば、マグネシウムを作るのに莫大なエネルギーをかけなければならないからです。
触媒を使う今までの技術だと、マグネシウム1トンを作るために石炭が10トンも必要になります。
石炭の発熱量が30MJ/kg、マグネシウムは25.5MJ/kgとほぼ同じ。
これでは誰もマグネシウムをエネルギー源に使うはずがありません。
それならば、自然エネルギー、例えば太陽光を集める太陽炉を使って酸化マグネシウムや塩化マグネシウムからマグネシウムを直接精錬してはどうかということになるわけですが、これも困難でした。
酸化マグネシウムからマグネシウムを精錬するには2万℃という超高温に相当するエネルギーが必要で、仮に太陽光を集めてそれだけの温度にできたとしても、炉が耐えられません。製鉄炉の耐熱温度が千数百℃ですから。
マグネシウムをエネルギー源にできるなど、誰も考えていなかったのです。
太陽光を直接レーザーに変換する「太陽光励起レーザー」
- それなのに、なぜマグネシウムをエネルギー源にできると思われたのですか？
きっかけになったのは、7年前です。
私は30年以上レーザー核融合を研究しているのですが、それを応用して、飛行機を飛ばす実験を行いました。
- レーザー核融合と飛行機にどういう関係があるのでしょうか？
レーザー核融合では、レーザーを使って数千万度の超高温を作り出します。
レーザーがすごいのは、時間的にも空間的にもエネルギーを集中できるということ。
つまり、少ないエネルギーであっても、一瞬だけ一点に集中させることで、大きな効果を得ることができるのです。
私たちは、長さ5cmくらいの小さな模型飛行機に水タンクを載せ、外からレーザーを照射しました。
水は一瞬で水蒸気に変わって飛行機の後方へ吹き出し、その反作用で飛行機が進みます。
つまり、水蒸気ロケットができたということになります。
この実験で使用したレーザーの出力はたったの5W。
5Wなんて懐中電灯並みですが、レーザーにすれば模型飛行機を飛ばすこともできるのです。
では、人が乗れるような飛行機を飛ばすには、どれだけの出力を持ったレーザーがあればよいのか。
計算してみたところ、1GW（1ギガワット＝100万キロワット）という答えが出ました。
これは大規模発電所の出力に相当しますから、こんなレーザーを電気で作ることはできません。
どうしたらよいかと考えた時に思い当たったのが、太陽光をそのままレーザーに変換する、太陽光励起レーザーです。
1995年、我々のグループの一人、吉田國雄特任教授がクロムとネオジムからレーザー媒質を開発していました。
日本のある会社はこれをさらに改良し、2005年には効率が42％のレーザー媒質を作ることに成功しました。
太陽光をこのレーザー媒質に当てると、レーザー光線が出ます。
マグネシウムを燃やして、エネルギー源にする
金属マグネシウムは、電子機器、飛行機、
自動車などで広く使われる。
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矢部研究室が用いているレーザー媒質。
これに太陽光を当てると、レーザーに変換される。
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- このレーザー媒質は大量生産できるのですか？
クロムとネオジムを混ぜて焼き固めるだけですから、大量生産するのは簡単です。
ただ、レーザーで飛行機を飛ばすといっても、そんな実験にはどこもお金を出してくれないので、別の応用を考えました。
それが次世代エネルギー、レーザーによる酸化マグネシウムの還元だったのです。
もっとも、今ではこちらが本命になってしまいましたが。
海水中には無尽蔵のマグネシウムが含まれている
-マグネシウムを燃やしてエネルギーを生み出し、できた酸化マグネシウムは太陽光励起レーザーで還元して、またマグネシウムに戻すわけですね。
しかし、リサイクルを綿密にやったとしても、エネルギー源になるほどの量があるのでしょうか？
この地球上には、マグネシウムが無尽蔵といってよいほどあります。
海水中には石油30万年分に匹敵するマグネシウムが含まれています。
-ですが、海水からマグネシウムを取り出すにもエネルギーが必要になるでしょう？
ここにもう1つのポイント「淡水化」があります。
2025年には、30億人分の淡水が不足すると言われています。
最も広く使われている逆浸透膜方式で30億人分の淡水を作ったとすると、現在世界で使われている電気の半分が必要になります。
そこで、太陽光を使った淡水化装置を作り、特許を取りました。
私たちは「エレクトラ」というベンチャー企業を興し、この装置を海外に販売しています。
現在、アジアの二カ国から国家レベルの発注が来ています。
-太陽光を使って淡水化するということは、光を集めて水を蒸発させるということですか？
そういうことです。しかし、単純に熱を加えて蒸発させようとすると大量のエネルギーを消費します。
みんな、水は100℃にならないと蒸発しないと思っていますが、私たちが汗をかいたら自然に乾きますね。
洗濯物も自然に乾きます。
-湿度が関係しているのですか？
はい。湿度のバランスをうまく調整することで、エネルギーをほとんど使うことなく淡水を作ることができます。
現在の逆浸透膜方式は、装置コストを1とすると、20年使った場合のランニングコストは20。
これに対して、私たちの装置は装置自体のコストも1桁安いですし、エネルギーもほとんど必要としません。
スピードも速く、1台当たり1日10トンの淡水を作れます。2Lのペットボトルなら5000本分です。
-あとには、塩やその他の物質が残るというわけですね。マグネシウムはどう取り出すのでしょう？
淡水を取ったら、あとには塩（塩化ナトリウム）と、にがり（塩化マグネシウム）が残ります。
塩とにがりを分離するのは、エネルギーが不要な昔ながらの方法を使います。
塩化ナトリウムと塩化マグネシウムの混合物に、上から少し水を掛けると、ぽたぽたと液体がしたたってくるのですが、これがほとんど塩化マグネシウムなのです。
塩化マグネシウムは塩化ナトリウムより水に溶けやすく、この性質を利用するだけで簡単に塩化マグネシウムだけを取り出せます。
マグネシウム循環社会のイメージ。
海水や砂漠の砂に含まれるマグネシウムを取り出してエネルギー源として利用。
太陽光励起レーザーでふたたびマグネシウムに戻す。
マグネシウムがエネルギー源になると、世の中はどう変わる？
- あとは、太陽光励起レーザーで塩化マグネシウムをマグネシウムに精錬するというわけですね。
それでは、マグネシウムは世の中でどう使われるのでしょうか？
まず、火力発電所です。
現在の火力発電所では、石油や石炭で湯を沸かし、その蒸気でタービンを回して発電しています。
マグネシウムの場合、水と反応させることで水素が発生し、この水素を燃やせば高温高圧の水蒸気が発生します。
これでタービンを回して発電すればよいのです。
これまでの火力発電所の設備は、タービンも含めてほとんどそのまま流用できます。
発生した水素と酸素を反応させれば水になりますから、二酸化炭素も出ません。
自動車用の燃料電池も研究が進んでいます。
例えば、米国のベンチャー企業は亜鉛燃料電池で動く自動車を2003年に開発しました。
この自動車は百数十kg弱の亜鉛を積み、走行距離は600kmです。
マグネシウムなら亜鉛に比べて3倍のエネルギー密度がありますから、10kgあれば200kmは走れるでしょう。
燃料となるマグネシウムは、コンビニで売ることを想定しています。
爆発もしませんし、少々水がかかっても大丈夫です。
マグネシウムの価格は現在kg当たり300〜400円ですが、太陽光励起レーザーによる精錬で価格が下がれば、マグネシウム燃料電池自動車以外はすべて消えることになるでしょう。
- マグネシウム燃料電池も水と反応させるのですか？
火力発電の場合は水と反応させますが、燃料電池の場合は酸素と反応させます。
酸素と反応させると水素が発生しないため、安全だからです。
水素は軽いために自動車のどこかに貯まる可能性があり、引火すると爆発してしまいます。
また、燃料電池の電極に水素が付くと、電極の性能が著しく低下します。
現在の燃料電池は、高価な白金で水素を吸着しようとしていますが、それくらいなら最初から水素が発生しない反応を使えばよいのです。
マグネシウム燃料電池の技術的課題はほとんど解決されており、今は燃料待ちの段階。
マグネシウムの価格が安くなれば一挙に実用化が進むでしょう。
燃料電池を使って生じた酸化マグネシウムは、やはり太陽光励起レーザーを使ってマグネシウムに精錬できます。
400Wの太陽光励起レーザーを今年中に実現
80Wの太陽光励起レーザーなら、ステンレス板に一瞬で穴を開けることができる。
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読書用ルーペなどにも用いられるプラスチック製フレネルレンズ。
東工大のレーザー発生装置には、4個のフレネルレンズが使われている。
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- 太陽光励起レーザーを使って、いかに低コストでマグネシウムを精錬できるかにかかっているのですね。
2007年に北海道の千歳にレーザーの実験施設を作り、実験を重ねてきました。
現在4個のレンズで集めた太陽光をレーザー媒質に当て、80Wのレーザーを出力できています。
80Wのレーザーでもステンレス板に一瞬で穴を開けるほどの威力があります。
しかし、4個に当たる太陽光は4kWですから、80Wというのは2％の変換効率でしかなく、このままでは商用化できません。
目標の出力は400Wですが、すでに目処はついており、今年中には達成できるはずです。
- 5倍の出力アップをそんなに簡単に実現できるものなのですか？
まず、レーザー媒質に混ぜるクロムの割合を増やします。
理論的には、これだけで変換効率を3倍にできます。
また、太陽光励起レーザーではこういうプラスチックレンズを使っているのですが、この設計を改良します。
- えっ、こんなプラスチックレンズなんですか？
はい、これのサイズを大きくしたものを使っています。
金型でどんどん作れますから、大量生産すれば製造コストはタダみたいなものですよ。
ただし、現在のレンズは気泡が混じっていたりして、太陽光を半分くらいしか集められていません。
金型を作り直してレンズの精度を上げれば、太陽光の透過率は2倍にはなるでしょう。
レーザー媒質とレンズの改良を合わせれば、5倍の出力アップはそれほど難しくないと考えています
- 酸化マグネシウムからマグネシウムを精錬するには2万℃の超高温が必要になるとおっしゃっていました。
これに耐えられる炉は実現できるのでしょうか？
そこでレーザーの長所が発揮されます。レーザーなら、1mmのスポットだけ2万℃にするということが可能です。
その周辺はすぐに冷えますから、炉全体が2万℃に耐える必要はありません。
- 細いレーザー1本では、大量の精錬が難しいのでは？
だからこそ、太陽光励起レーザーの装置をたくさん作るのです。
何百台という装置を並べてレーザーを作り、各装置から光ファイバーで精錬所に伝えます。
酸化マグネシウムにレーザーが当たると、0コンマ数秒でマグネシウムを精錬できます。
- レーザーの発生装置は高価になりませんか？
現在東工大の屋上で実験装置を稼働させており、太陽の位置を自動追尾して最適な出力を得ることができます。
水道用のパイプなどを利用して組み立てたら、1基当たり50万円ほどで制作できました。
- 太陽光がいつもあるところでないと、精錬はできませんね。
アリゾナやモンゴルの砂漠など、1年中雲のない地域は世界中どこにでもあります。
こういう地域でマグネシウムを精錬して、日本に持ってくればよいでしょう。
淡水化事業からスタートし、マグネシウム循環社会へ
- マグネシウムの循環社会は、どういうステップを経て実現すると考えていますか？
まずは、海水を淡水化する事業で利益を上げます。
先に述べたとおり、すでに海外から淡水化装置の発注が来ており、この事業だけでも十分に利益を出せます。
今後、世界の淡水ビジネスは年間150兆円規模になると言われています。
次は、マグネシウムの精錬ですが、最初はエネルギー源としてではなく、資源としてマグネシウムを売ればよいでしょう。
携帯電話のボディなど、マグネシウムの需要はいくらでもあります。
マグネシウムは今1kg当たり400円と高価ですからここでも利益を得られ、そうすれば太陽光励起レーザーの装置をもっとたくさん作れるようになります。
ちなみに、マグネシウムに限らず、鉄やアルミ、シリコンも、レーザーを使って同様に精錬可能です。
金属産業の構造を根本的に変えてしまう可能性もあると思っています。
そうして十分にマグネシウムの値段を下げられるようになったら、エネルギー源として、発電所や家庭、自動車に使えばよいでしょう。
燃料として使った後にできる酸化マグネシウムは、太陽光励起レーザーで精錬してマグネシウムに戻します。
- これからのロードマップはどうなっていますか？
ある外国の企業が出資してくれることになり、この資金を使って今年中には沖縄の宮古島に実験施設を作ります。
この施設では、海水の淡水化からレーザーによるマグネシウムの精錬まで全サイクルの実験を行います。
投資を得られたので、政府からの補助金も必要なくなりました。
マグネシウム循環社会は、2025年に実現する
- エネルギー生産から、産業利用、リサイクルまで、1つの街で完結するんですね！
はい。宮古島の施設が成功したら、東南アジアの各所に同じような施設を作り、もっと大規模な実験を行う予定です。
うまく行けば、2025年頃にはマグネシウムをエネルギー源とした社会を実現できるのではないでしょうか。
みなさんが考えるより、早いペースで進むと思っています。
- 少し前には、水素社会という言葉がもてはやされました。マグネシウムではなく、水素をエネルギー源にしてもよいのではないでしょうか？
水素は、保管場所が問題になります。
700気圧で保管すれば場所を取らないという人がいますが、700気圧に耐えられるタンクはごくごく小さいものしか作れず、結局は1気圧で保管するしかありません。
日本が必要とするエネルギーをすべて水素にしたとすれば、日本中の地下が水素タンクになるでしょう。
- マグネシウム循環社会の実現可能性をどう見ていますか？
私は30年間レーザー核融合の研究をしてきました。
レーザーを出す、金属を溶かして反応させる、そうした研究はマグネシウムの精錬や淡水化にすべて活かされています。
そして、吉田國雄特任教授によるレーザー媒質。
こうした要素が今この時期にすべて合わさったのはとても不思議で、自分はこれをやるために生まれてきたのではないだろうかという気すらします。
実験を繰り返して実証データも蓄積されており、実現には絶対的な自信がありますよ。
太陽光励起レーザーの発生装置は1台50万円
東工大の屋上で実験中のレーザー発生装置。上部のフレネルレンズで集めた太陽光を、中心部にあるレーザー媒質に当てる。
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研究者プロフィール 矢部 孝（やべ たかし）現職は、東京工業大学・大学院理工学研究科・教授。1973年、東京工業大学工学部を卒業後、同大学助手に就任。その後、1981年に大阪大学・レーザー核融合研究センター講師、85年に同助教授、1995年には東京工業大学・教授となり現在に至る。また大学発ベンチャー「株式会社エレクトラ」の代表取締役も兼任。1999年の英国王立研究所200周年記念招待講演を行うなど、数多くの賞を受賞。現在、国際数値流体学会の名誉フェロー、計算力学国際連合の理事など。
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