樹木より効率的にCO2を吸収する粉末を開発
2024年10月23日に学術誌「ネイチャー」に発表された研究によると、木を植えるよりも効率的に二酸化炭素を吸収できる粉末があるという。
一般的な木は成長の過程で、1年間に最大40kgの二酸化炭素を空気中から吸収することができる。今回、米カリフォルニア大学バークレー校の科学者たちは、約200グラムのきめ細かな黄色い粉末で同じ働きができると発表した。
2024年10月23日にネイチャー誌に発表された研究によると、この粉末の粒子には温室効果ガスを閉じ込めることができる極めて小さな穴が無数に開いている。研究者らはその後、粉末からガスを取り出し、地球温暖化の原因とならないよう別の場所に貯留する。試験では、この材料はこうしたサイクルを100回繰り返した後も高い性能を維持した。
カリフォルニア大学バークレー校の網目化学者で、研究の責任著者であるオマー・ヤギー（Omar Yaghi）氏は、非常にうまく機能していると述べた。「現時点での材料の安定性と挙動から見て、数千回のサイクルに耐えられると考えている」
COF-999の分子構造。
COF-999と名付けられたこの粉末は、大気中の炭素を減らすために稼働し始めている大規模な直接空気回収（DAC）プラントに導入される可能性がある。
科学者らによると、地球温暖化を産業革命前と比べて2℃に抑え、気候変動による最も壊滅的な影響の一部を防ぐには、大気中の二酸化炭素濃度を450ppm未満に保つ必要がある。ハワイのマウナロア観測所での測定では、現在のCO2濃度は約423ppmとなっている。
カリフォルニア大学バークレー校のバカー惑星デジタル材料研究所（Bakar Institute of Digital Materials for the Planet）の主任科学者も務めるヤギー氏はこう語る。「空気からCO2を取り除かなければならない。それ以外に良い方法はない。たとえCO2の排出を止めたとしても、空気中から取り除く必要がある。ほかに選択肢はないのだ」
アリゾナ州立大学ネガティブ・カーボン・エミッション・センターの創設ディレクター、クラウス・ラックナー（Klaus Lackner）氏は、重要な障壁を乗り越えれば、直接空気回収は炭素を隔離し地球を冷やすための重要な手段になるとの見方に同意した。同氏は、今回の研究の進展がその助けになり得ると述べた。
研究に参加していないラックナー氏は「まったく新しい一連のアプローチへの扉を開いているところだ」と語った。
研究を率いたカリフォルニア大学バークレー校の博士課程に在籍する材料化学者、ジーフイ・ジョウ（Zihui Zhou）氏によると、電子顕微鏡で観察すると、粉末の粒子は何十億もの穴が開いた小さなバスケットボールのように見えるという。
この構造は、炭素原子をダイヤモンドに変える結合を含む、自然界で最も強い化学結合のいくつかによってつなぎ止められている。結合の間には、アミンと呼ばれる化合物が取り付けられている。
空気がこの構造の中を流れると、その成分の大部分はそのまま通り抜ける。しかし、塩基性のアミンが酸性の二酸化炭素分子を引きつける。
これらのCO2分子は、科学者が熱を加えて解き放つまでその場にとどまる。その後、分子を吸い出し、大気中に漏れ出さないよう地下深くに送り込むことができる。
粉末から二酸化炭素を取り除いた後は、全工程を再び始めることができる。COF-999の炭素除去能力を調べるため、研究者らはストローほどの大きさのステンレス製の管に粉末を詰め、20日間連続で屋外の空気にさらした。
ジョウ氏によると、管に入る時点でバークレーの空気には410ppmから517ppmの濃度のCO2が含まれていた。反対側から出てきた空気からは、二酸化炭素は一切検出されなかった。
COF-999の開発者らによると、この粉末には他の材料に比べていくつかの利点がある。多孔質の構造により表面積が大きくなり、CO2分子を保持できる場所が多くなる。その結果、COF-999は直接空気回収に使われる他の材料よりも「少なくとも10倍速い」速度で二酸化炭素を回収する。
もう一つの利点は、COF-999が約60℃に加熱されるとCO2の保持を緩めることだ。ジョウ氏によると、同等の材料では炭素を取り出すために120℃まで加熱する必要があり、多くのエネルギーを消費する。エネルギー消費が多ければ、そのエネルギーを生み出す過程で温室効果ガスが排出されやすくなる。
この粉末は耐久性にも優れている。ジョウ氏によると、チームは実験終了までに300サイクル機能した新バージョンも試験したという。
ラックナー氏はこれを心強い兆候だと述べた。「100サイクルを行って劣化がまったく見られないということは、数千サイクルも可能だということを示している。数十万サイクルが可能かどうかさえ、まだわかっていない」
チームのメンバーは改良を続けており、来年には容量を2倍にする見通しだ。ジョウ氏によると、産業規模で展開するには、空気は通すが粉末は吹き飛ばさない大型の金属製の箱を設計する必要がある。それらの箱は、現代の化学プラントや石油精製所のように、多数をまとめて設置する必要があるという。
ヤギー氏は、COF-999の一つのバージョンが2年以内に直接空気回収プラント向けに準備できる可能性があると述べた。大量生産した場合のコストは見積もれないとしながらも、高価な材料や特殊な材料は一切必要ないと明かした。
ヤギー氏は、炭素回収やその他の技術に関する研究を商業化するため、アーバインに本社を置く企業アトコ（Atoco）を設立した。アトコは今回の研究の資金の一部を提供した。また、カリフォルニア大学バークレー校はCOF-999の特許を出願しており、ヤギー氏とジョウ氏が発明者として名を連ねている。
ラックナー氏は、直接空気回収のプロセス全体が「現在より10倍安く」ならなければならないと述べた。そうなって初めて、科学者らが大気中から取り除きたいと考えている数千億トンもの二酸化炭素に対して、この技術が実際の効果をもたらすことができるという。
CO2をより効率的に回収できる材料は役に立つが、ラックナー氏は、炭素を地下に送り込むのにどれだけのエネルギーがかかるかといった問題のほうを心配していると語った。そのエネルギー消費自体も地球を温暖化させるからだ。同氏は「これには数え切れないほどの要素が関わっている」と述べた。
