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人類は「人工光合成」で植物を超えられるか。CO2を資源に変える脱炭素時代の切り札

光合成

植物の光合成を人工的に再現することはできるのだろうか。

Quality Stock Arts/Shutterstock.com

太陽の光を利用して、水と二酸化炭素(CO2)から植物の生命活動に欠かせない物質を合成する「光合成」。

実はいま、ほとんどの動物に許されていない、植物の特権とも言えるこの化学反応を人工的に再現し、工業の現場で活用しようという「人工光合成」の研究が注目されています。

うまく行けば、私たちは地球上に膨大に存在する「水」と、空から降り注ぐ無尽蔵のエネルギー源である「太陽光」を使い、地球温暖化の原因であるCO2を「資源」として有効活用することも夢ではないかもしれません。

2021年12月には、豊田中央研究所が太陽光のエネルギー変換効率が世界最高の10.5%にもなる人工光合成セルを開発したことを発表しました。豊田中央研究所は、光を当てることで水とCO2から有機物である「ギ酸」を合成しました。

三菱ケミカルや信州大学・東京大学が中心となって進めている​​新エネルギー・産業技術総合開発機構(NEDO)の人工光合成にまつわるプロジェクト(2014年度〜2021年年度)では、光のエネルギーを利用して化学反応を促進する「光触媒」を使って水を分解して水素を製造したり、プラスチックなどの化学製品の原料となる「オレフィン」を製造したりする手法の開発・実証を進めてきました。この事業は2021年度からNEDOのグリーンイノベーション基金事業にも採択され、2030年度までの10年間で約170億円の助成を受けることが決まっています。

菅元首相

総額2兆円におよぶグリーンイノベーション基金は、2020年12月に菅義偉首相(当時)が策定したグリーン成長戦略の肝いり事業だ。

Nicolas Datiche/Pool via REUTERS/File Photo

人工光合成への注目度は、海外でも高まっています。

米国エネルギー省(DOE)は、2010年に人工光合成ジョイントセンター(JCAP:Joint Center for Artificial Photosynthesis)を設置し、100億円以上もの資金を投じて基礎研究を進めてきました。

2020年にJCAPへの資金提供は終了しましたが、DOEでは、新たにJCAPの後継にあたる人工光合成に関連する研究プロジェクトに対して、5年間で1億ドル(約127億円、1ドル=127円換算)の資金提供を発表するなど、研究開発に力を注いでいます。

もはや待ったなしの状態まで進んでいる地球温暖化を抑止する技術として。そして、ウクライナ危機などによって高騰している、石油資源の代替資源を確保する技術として——。国、大学、民間企業が一体となって、人工光合成の研究を進めているのです。

4月のサイエンス思考では、東京理科大学で人工光合成について研究している、工藤昭彦教授に話を聞きました。

「光合成」を人工的に再現する価値

工藤先生

東京理科大学理学部応用化学科・総合研究院カーボンバリュー研究拠点の工藤昭彦教授。

撮影:三ツ村崇志

「中学校や小学校で習う光合成は、『水とCO2から糖と酸素を作る』という反応だったと思います。太陽光のエネルギーを使って、元々安定した分子だった水とCO2から糖を作る。その意義は、光エネルギーを化学エネルギー(物質)に変換しているということにあります」(工藤教授)

工藤教授は、光合成の意義をこう語ります。

私たちは、太陽電池パネルを使うことで、太陽から放たれた光のエネルギーを電気エネルギーに変換することができるようになりました。ただ、電気は非常に便利ですが、電池がなければ保存することができません。

一方で、石油などの化石燃料は、液体や気体の状態でそのまま保管し、必要なときに、必要な分だけ使うことができます。私たちにとって使いやすいように加工することだって可能です。これがエネルギーを「物質に変換する」ことのメリットです。

「再生可能エネルギー(光)を使って、CO2や水、場合によっては窒素などの非常に安定したものから、(エネルギー源や素材の原料となる)高エネルギーの物質を作ろうというのが『人工光合成』なんです」(工藤教授)

人工光合成の2つの狙い

実験の様子

実験の様子。ランプで光を当てて、発生した気体を回収して反応効率などを計測する。

撮影:三ツ村崇志

では、人工光合成の研究者たちは、光を利用していったい何を作ろうとしているのでしょうか。

工藤教授は、研究の方向性として大きく2つあると言います。

一つは、光エネルギーを使って「水を分解して水素を作る研究」。そしてもう一つは「CO2を『還元』して有機化合物を合成する研究」です。

光合成によって糖や酸素が生じる反応は、細かく見ると複数の化学反応が連なった現象だということが分かっています。

大きく分けると、まず植物に含まれる葉緑体に光が当たり、水分子から酸素と高エネルギー状態の物質が生じる反応が起きます。そして、この高エネルギー物質がCO2と反応(還元反応)することで、糖が作られています。

前半の酸素や高エネルギーの物質が生じる反応は、さらに水分子が分解されて酸素が生じる反応と、高エネルギーの物質が生じる反応の2段階に分かれています。どちらの反応でも光のエネルギーが利用されているため、まとめて「明反応」と呼ばれます。一方、後半の糖が作られる反応は光が不要なため「暗反応」と言われています。

一般的な「光合成」は、明反応と暗反応を合わせた全体の反応を指しています。

人工光合成の研究でも、明反応で高エネルギーの物質を作る代わりに「水から酸素と水素を作る研究」と、暗反応に相当する「CO2を『還元』して有機化合物を合成する研究」に分かれて研究が進められています。ただ、工藤教授は必ずしも植物のようにこの2つの反応が一体となっている必要はないといいます。

現代の産業に必要不可欠な水素

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