最も賢いエネルギー源が、豊富で安価でクリーンなものであるなら、植物は人間よりもはるかに賢いことになります。彼らは何十億年にもわたって、おそらく世界で最も効率的な電力供給である光合成を開発しました。光合成はどのように行われるのでしょうか?これは太陽光、二酸化炭素、水を使用可能な燃料に変換し、その過程で有用な酸素を排出します。
エネルギー入力として太陽光のみを使用して、植物は大規模なエネルギー変換を実行し、毎年 1 兆 1,020 億トン (1 兆トン) の CO 2を有機物、つまり食物の形で動物のエネルギーに変換します [出典: Hunter] 。そして、それは地球に到達する太陽光のわずか 3% を使用しているだけです [出典: Boyd]。
植物 (および藻類や一部の細菌) の場合、「使用可能な燃料」は炭水化物、タンパク質、脂肪です。一方、人類は自動車に動力を供給するための液体燃料や冷蔵庫を動かすための電気を探しています。しかし、それは、汚くて高価で減少するエネルギーの問題を解決するために光合成に目を向けることができないという意味ではありません。科学者たちは何年もの間、植物と同じエネルギーシステムを、最終出力を変えて使用する方法を考え出そうと努力してきました。
この記事では、人工光合成に注目し、それがどこまで進歩しているかを見ていきます。このシステムで何ができる必要があるのかを調べ、人工光合成を実現する現在の方法をいくつか調べて、他のエネルギー変換システムほど設計が簡単ではない理由を見ていきます。
光合成の仕組み
光合成は、緑色植物や藻類が二酸化炭素と光エネルギーを化学エネルギーに変換できるようにする注目すべきプロセスです。この複雑な生化学プロセスは、酸素と食物連鎖の基盤を提供することで、地球上の生命の維持に重要な役割を果たしています。
光依存性反応
光依存反応は、捕らえられた太陽エネルギーが化学エネルギーに変わる段階です。
このプロセスは、植物細胞の葉緑体にあるクロロフィル分子が太陽からの光エネルギーを吸収するときに始まります。これにより、水分子 (H 2 O) が酸素 (O 2 )、水素イオン (H+) および電子 (e-) に分解されます。
吸収された光からのエネルギーは、アデノシン三リン酸 (ATP) とニコチンアミドアデニン ジヌクレオチド リン酸 (NADPH) の 2 つを生成するために使用されます。これらの分子は、光合成の次の段階である光に依存しない反応に必要なエネルギーを貯蔵し、輸送します。
カルビンサイクル
カルビン サイクルとしても知られる光に依存しない反応では、ATP と NADPH に蓄えられた化学エネルギーが二酸化炭素 (CO 2 ) を有機化合物に固定するために使用されます。炭素固定では、6 分子の二酸化炭素 (CO 2 ) が大気から捕捉され、5 炭糖分子 (RuBP) と結合して 3 炭素化合物 (3-PGA) が形成されます。
これらの 3 つの炭素化合物は、酵素によって促進される一連の化学反応を起こし、その過程で ATP と NADPH を消費します。これにより、糖分子グリセルアルデヒド-3-リン酸（G3P）が形成されます。
G3P 分子の一部はグルコースやその他の炭水化物を生成し、植物のエネルギー源として機能し、成長と生殖に不可欠です。カルビン回路を維持するために、G3P 分子の一部は RuBP を再生します。このステップにより、さらなる炭素固定のための 3 炭素化合物の継続的な供給が保証されます。
資源としての太陽
太陽光で利用できるエネルギーは、私たちが実際に把握し始めたばかりの未開発の資源です。現在の太陽電池技術、通常は半導体ベースのシステムは高価で、あまり効率的ではなく、太陽光から電気への変換は瞬時に行われるだけで、出力されたエネルギーは雨の日のために蓄えられるわけではありません（ただし、状況は変わりつつある可能性があります。参照）夜に太陽エネルギーを得る方法はありますか?」)。
しかし、植物で起こっていることを模倣した人工光合成システムや光電気化学電池は、私たちの生活に必要なすべてのきれいな「ガス」と電気を、しかも貯蔵可能な形で無限に比較的安価に供給できる可能性がある。
人工光合成のアプローチ
植物が完成させた光合成を再現するには、エネルギー変換システムが 2 つの重要なこと (おそらく構造「葉」として機能するある種のナノチューブの内部で) を実行できなければなりません。それは、太陽光を収集することと、水分子を分割することです。
植物は、太陽光を捉えるクロロフィルと、その太陽光を利用して H 2 O 分子を水素、電子、酸素 (プロトン) に分解するタンパク質と酵素の集合体を使用して、これらのタスクを実行します。電子と水素は CO 2 を炭水化物に変えるために使用され、酸素は排出されます。
人工システムが人間のニーズに合わせて機能するには、出力が変化する必要があります。
反応の最後に酸素だけを放出するのではなく、液体水素 (またはおそらくメタノール) も放出する必要があります。その水素は液体燃料として直接使用することも、燃料電池に送り込むこともできます。水素はすでに水分子の中に含まれているため、水素を生成するプロセスに問題はありません。そして、太陽光を捉えることは問題ではありません。現在の太陽光発電システムはそれを実現します。
難しい部分は、水素を生成する化学プロセスを促進するために必要な電子を得るために水分子を分割することです。
水を分解するには、約 2.5 ボルトのエネルギー入力が必要です [出典: Hunter]。これは、プロセスには触媒、つまり全体を動かすための何かが必要であることを意味します。触媒は太陽の光子と反応して化学反応を開始します。
この分野では過去 5 年または 10 年で重要な進歩が見られました。より成功した触媒としては、次のようなものがあります。
- マンガン: マンガンは植物の光合成核にある触媒です。マンガンの単一原子が、太陽光を利用して水を分解する自然プロセスを引き起こします。人工システムでマンガンを使用することは、生物模倣アプローチであり、植物に見られる生物学を直接模倣します。
- 色素増感二酸化チタン: 二酸化チタン (TiO 2 ) は、効率的な触媒として機能する安定した金属です。これは、1990 年代から使用されている色素増感太陽電池 (グレッツェル セルとしても知られる) に使用されています。 Graetzel セルでは、TiO 2 が色素粒子の層に懸濁されており、色素粒子が太陽光を捕らえ、TiO 2にさらして反応を開始します。
- 酸化コバルト: 最近発見された触媒の 1 つであるナノサイズの酸化コバルト分子 (CoO) のクラスターは、人工光合成システムにおいて安定で高効率のトリガーであることが判明しました。酸化コバルトも非常に豊富に存在する分子であり、現在、工業用触媒として広く使用されています。
これらのシステムが完成すれば、世界に電力を供給する方法が変わる可能性があります。
人工光合成の応用
化石燃料は不足しており、汚染と地球温暖化の一因となっています。石炭は豊富に存在しますが、人体と環境の両方に非常に汚染されています。風力タービンは美しい景観を損ない、トウモロコシには広大な農地が必要で、現在の太陽電池技術は高価で非効率的です。人工光合成は、私たちのエネルギーの苦境から抜け出す、おそらく理想的な新しい方法を提供する可能性があります。
貯蔵できる燃料
まず、今日のソーラーパネルに搭載されている太陽電池よりも優れた利点があります。太陽電池で太陽光が電気に直接変換されるため、太陽光発電は天候や時間に依存するエネルギーとなり、その有用性が低下し、価格が上昇します。一方、人工光合成は貯蔵可能な燃料を生成する可能性がある。
複数の出力オプション
また、代替エネルギーを生成するほとんどの方法とは異なり、人工光合成は複数の種類の燃料を生成する可能性があります。光合成プロセスは、光、CO 2 、および H 2 O の間の反応により最終的に液体水素が生成されるように微調整することができます。
液体水素は、水素燃料エンジンでガソリンと同様に使用できます。また、それを燃料電池のセットアップに注ぎ込むこともでき、これにより光合成プロセスが効果的に逆転し、水素と酸素が水に結合して電気が生成されます。水素燃料電池は、送電網から得られるものと同じように電気を生成できるので、それを使ってエアコンや給湯器を稼働させることになります。
大規模な水素エネルギーに関する現在の問題の 1 つは、液体水素を効率よく、そしてクリーンに生成する方法の問題です。人工光合成が解決策になるかもしれない。
メタノールも考えられる出力です。光合成プロセスで純粋な水素を放出する代わりに、光電気化学電池はメタノール燃料 (CH 3 OH) を生成できます。
メタノールまたはメチルアルコールは通常、天然ガス中のメタンに由来し、よりきれいに燃焼させるために市販のガソリンに添加されることがよくあります。一部の車はメタノールだけでも走行できます。
有害な副産物を避ける
温室効果ガスなどの有害な副産物を生成せずにクリーンな燃料を生産できるため、人工光合成は環境にとって理想的なエネルギー源となります。採掘、栽培、掘削は必要ありません。そして、現在水も二酸化炭素も不足していないため、無限の供給源となり、長期的には他のエネルギー形態よりも安価になる可能性があります。
実際、このタイプの光電気化学反応は、燃料の製造過程で空気から大量の有害な CO 2 を除去することさえ可能です。それは双方にとって有利な状況です。
しかし、まだそこには達していません。人工光合成を大規模に利用するにはいくつかの障害があります。
人工光合成の実現における課題
人工光合成は研究室では機能しますが、大量消費できる状態ではありません。緑色の植物で自然に起こっていることを再現するのは簡単な作業ではありません。
エネルギー生産においては効率が非常に重要です。植物は、効率的に機能する光合成プロセスを開発するのに何十億年もかかりました。それを合成システムで再現するには、多くの試行錯誤が必要です。
植物内で触媒として機能するマンガンは、人工の環境ではあまりうまく機能しません。その主な理由は、マンガンがやや不安定であるためです。マンガンはあまり長く持続せず、水に溶けないため、マンガンベースのシステムはやや非効率的で非実用的です。
もう 1 つの大きな障害は、植物の分子構造が非常に複雑かつ正確であることです。人工のセットアップのほとんどでは、そのレベルの複雑さを再現することができません。
多くの潜在的な光合成システムでは安定性が問題となります。有機触媒は多くの場合劣化したり、細胞の働きに損傷を与える可能性のある追加の反応を引き起こしたりします。無機金属酸化物触媒の可能性は十分にありますが、システムに注がれる光子を効率的に利用するには十分な速度で機能する必要があります。
このような触媒速度はなかなか得られません。そして、速度を備えた金属酸化物の中には、別の領域、つまり豊富さが不足しているものもあります。
現在の最先端の色素増感セルでは、問題は触媒ではありません。代わりに、分割された水分子からプロトンを吸収するのは電解質溶液です。これはセルの重要な部分ですが、システム内の他のコンポーネントを侵食する可能性がある揮発性溶媒でできています。
ここ数年の進歩により、これらの問題に対処し始めています。酸化コバルトは、安定、高速、豊富に存在する金属酸化物です。色素増感細胞の研究者は、腐食性物質に代わる非溶媒ベースの解決策を考案しました。
人工光合成の研究は勢いを増しているが、すぐに研究室から消えることはない。このタイプのシステムが現実になるまでには少なくとも 10 年はかかるでしょう [出典: Boyd]。そして、これはかなり希望を持った予測です。それが本当に起こるかどうかわからない人もいます。それでも、本物のように振る舞う人工植物を期待せずにはいられない人がいるだろうか？
