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「空気からパンを作る技術」に100年越しの革命を。東工大ベンチャーの挑戦

小麦畑のようす。小麦は、パンの材料だ。

小麦畑のようす。小麦は、パンの材料だ。

REUTERS/Shannon VanRaes/File Photo

「空気からパンを作る」

100年もの間人類を支えてきた、こう呼ばれる技術があることを知っていますか?

空気の8割を占める窒素を水素と反応させて高い効率でアンモニアを作り出す——「ハーバー・ボッシュ法」と呼ばれる有名な化学反応です。

「アンモニア」と言われると、独特の刺激臭のイメージが強く、あまり良い印象を持っていない人の方が多いかもしれません。しかし、実は作物を育てるための「肥料」を筆頭に、化学繊維や半導体の材料など、アンモニアはさまざまな化学製品の原料として、現代社会にとって欠かせない存在なのです。

ハーバー・ボッシュ法を使って空気中の窒素からアンモニアを作り、それをもとに作られた肥料からパンの原料となる小麦を育てる——。

これが、1910年代に工業的に実用化されたハーバー・ボッシュ法が「空気からパンを作る技術」と言われる由縁です。

実際、人口が急増した20世紀の食糧生産を支えることができたのも、ハーバー・ボッシュ法による功績が大きいとも言われています。

世界人口の推移。1900年頃から急激に人口が増加している。

世界人口の推移。1900年頃から人口が急激に増加している。

出典:Our World in Data

この技術は現代でもなお廃れることのない技術として、さまざまな化学工業の現場で利用され続けています。

しかしいま、この技術に革命が起きようとしています。

それを実現しようとしているのが、東京工業大学発ベンチャーのつばめBHBです。

12月のサイエンス思考では、つばめBHBの最高技術責任者(CTO)を務める横山壽治氏に、100年の歴史を覆す大発明の現在地を聞きました。

10年前に生まれた世紀の発明

アンモニアは肥料の原料としてよく知られている。

アンモニアは肥料の原料としてよく知られている。

tawanroong/Shutterstock.com

つばめBHBが誕生するきっかけとなったのは、2012年。

「IGZOディスプレイ」の発明や、鉄が含まれた材料で電気抵抗がゼロになる「超伝導」という状態が実現することを世界で初めて発見したことなど、偉業ともいえる数々の研究成果を積み重ねてきた東京工業大学の細野秀雄栄誉教授(以下、細野教授)らが発表した一つの論文でした。

細野教授らは、ハーバー・ボッシュ法と比較して低温・低圧で高効率にアンモニアを合成できる「エレクトライド」と呼ばれるカルシウムやアルミニウムからなる触媒を発見したのです。

ハーバー・ボッシュ法は、窒素(N2)と水素(H2)から、アンモニア(NH3)を合成する反応です。文字(化学式)にしてみると、非常にシンプルな反応のようにも思えます。

加えて、反応を促進する役割を持つ「触媒」も酸化鉄を主成分としたごくありふれた素材です。

エレクトライドは、カルシウムやアルミニウムによって作られた「カゴ」のような構造の中に豊富な電子がある。この電子を利用することで、強く結合している窒素分子を切断してアンモニアを合成することが可能となる。

エレクトライドは、カルシウムやアルミニウムによって作られた「カゴ」のような構造の中に豊富な電子がある。この電子を利用することで、強く結合している窒素分子を切断してアンモニアを合成することが可能となる。

図:つばめBHB

ただ、ハーバー・ボッシュ法は唯一の欠点として、化学反応を促進するために200~1000気圧、400〜600度という非常に過酷な環境が必要でした。この過酷な環境を構築するためにエネルギーが必要であることに加えて、原料の水素ガスを化石原料に依存しているため、ハーバー・ボッシュ法は、世界の二酸化炭素排出量のうちの約1%を占めるほど、エネルギーを消費しているとも言われています。

これに対して、細野教授が当時発表した論文では、1気圧・400度程度でもアンモニアを合成できたと報告しています。

アンモニアの製造をより低温・低圧の環境で実現することは、エネルギー消費量を減らし、CO2の排出量を大きく削減することにもつながる、非常に重要な発見でした。

「新しい価値」を生めるか

世界最大規模のアンモニア製造会社、ヤラ社のアンモニア製造プラント。

世界最大規模のアンモニア製造会社、ヤラ社のアンモニア製造プラント。

REUTERS/Lefteris Karagiannopoulos/File Photo

ただ、話は簡単に進みませんでした。

実は、ハーバー・ボッシュ法でアンモニアを製造しているプラントは、超高温・高圧環境を実現するために全体のシステムが設計されています。低温・低圧で使える新しい触媒を既存のプラントに導入すればすぐにうまくいく、という単純な話ではありませんでした。

また、横山CTOも、

「肥料などの化学製品は、大量生産によるコスト削減が重要になります。これまでも年間数十万トン規模のプラントで一極集中することで作られてきました。流通経路もすでに現在のシステムに合ったものが構築されています」

と、すでにハーバー・ボッシュ法を介したサプライチェーンが世界的に普及している中で、新しいシステムを導入することに難しさがあったと指摘します。

実際、産業の現場の声を聞く中でも、ハーバー・ボッシュ法が存在する以上、新しいアンモニア合成の手法を開発する必要はないのではないか、という見方が強かったといいます。

ポテンシャルのある技術である一方で、既存のシステムが大きすぎて導入が難しい……「それなら、新しいプロセスを作って『価値』を生み出そうという話になったんです」と、横山CTOは振り返ります。

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