二酸化炭素反応器で火星の燃料を作る

二酸化炭素炉で火星の燃料を作る化学
化学工学の研究室でグラフェンの小瓶を掲げるカリフォルニア大学の博士課程学生、Tianyu Zhang氏。©Andrew Higley/UC Creative + Brand

火星にガソリンスタンド?技術者たちはその可能性を考えています。

シンシナティ大学(UC)のエンジニアたちは、温室効果ガスを燃料に変換する新しい方法を開発し、気候変動への対応や宇宙飛行士の火星からの帰還に役立てようとしています。

シンシナティ大学工学・応用科学部のJingjie Wu助教授とその学生たちは、反応器に炭素触媒を使用して、二酸化炭素をメタンに変換しました。

フランスの化学者、故ポール・サバティエにちなんで「サバティエ反応」と呼ばれるこの反応は、国際宇宙ステーションで、宇宙飛行士が吸う空気から二酸化炭素を除去し、ステーションを高軌道に保つためのロケット燃料を生成するプロセスです。

しかし、Wu氏はもっと大きなことを考えています。

二酸化炭素を貯蔵可能な燃料に変換するためのさまざまな触媒の実験を行っている。

シンシナティ大学の化学工学助教授Jingjie Wu氏(左)と博士課程の学生Tianyu Zhang氏は、気候変動に対処するために、二酸化炭素を貯蔵可能な燃料に変換するためのさまざまな触媒の実験を行っている。©Andrew Higley/UC Creative + Brand

 

火星の大気は、ほとんどが二酸化炭素で構成されています。

宇宙飛行士は、火星に到着してから必要なものを作ることで、帰還に必要な燃料の半分を節約することができるとWu氏は言います。

「火星のガソリンスタンドのようなものです。二酸化炭素をこの反応器に通して、ロケット用のメタンを簡単に作ることができます。」とWu氏は語っています。

UCの研究は、ライス大学、上海大学、華東科学技術大学の共同研究者とともに、学術誌「Nature Communications」に掲載されました。

Wu氏は、電気自動車用の燃料電池の研究から化学工学のキャリアをスタートさせましたが、10年ほど前から化学工学の研究室で二酸化炭素の変換に注目するようになりました。

触媒によって二酸化炭素がメタンに変換される反応器。

シンシナティ大学の化学エンジニアJingjie Wu氏が手にしているのは、触媒によって二酸化炭素がメタンに変換される反応器。カリフォルニア大学の研究は、大気中の二酸化炭素を除去することができるという楽観的な見方をしている。©Andrew Higley/UC Creative + Brand

「温室効果ガスが社会的に大きな問題になることを実感しました。多くの国が、社会の持続的な発展のためには、二酸化炭素が大きな問題であることに気づいたのです。だからこそ、カーボンニュートラルを実現する必要があると思うのです。」とWu氏は語ります。

バイデン政権は、2030年までに温室効果ガスの汚染物質を50%削減し、2050年までに再生可能エネルギーに依存した経済を実現するという目標を掲げています。

「それはつまり、二酸化炭素を再利用しなければならないということです。」

Wu氏は、筆頭著者でカリフォルニア大学の博士課程に在籍するTianyu Zhang氏を含む学生たちと一緒に、グラフェン量子ドット(わずか数ナノメートルの大きさの炭素層)など、メタンの収率を高めることができるさまざまな触媒を試しています。

Wu氏は、このプロセスは気候変動の緩和に役立つと期待しています。

また、副産物として燃料を生産できるという商業上の大きなメリットもあります。

「このプロセスは、わずか10年前に比べて100倍も生産性が向上しています。ですから、進歩がどんどん早くなることは想像に難くありません。今後10年の間に、この技術を商業化するスタートアップ企業がたくさん出てくるでしょう。」とWu氏は言います。

Wu氏の学生たちは、さまざまな触媒を使って、メタンだけでなくエチレンも生産しています。

世界で最も重要な化学物質と呼ばれるエチレンは、プラスチック、ゴム、合成繊維の衣類などの製造に使用されています。

化学工学の博士課程に在籍するZhang氏は、「将来的には、より多くの製品を生産できる別の触媒を開発する予定です。」と語ります。

Zhang氏は、教授と同様、グリーンエネルギーに明るい未来を見出しているといいます。

「グリーンエネルギーは非常に重要なものになるでしょう。グリーンエネルギーは非常に重要で、将来的には巨大な市場を形成するでしょう。だからこそ、私はそれに取り組みたいと思ったのです。」

シンシナティ大学の化学エンジニアは、二酸化炭素をメタンやその他の燃料に変換するためのさまざまな触媒を実験しています。©Andrew Higley/UC Creative + Brand

二酸化炭素から燃料を合成することは、太陽光や風力などの再生可能エネルギーと組み合わせることで、さらに商業的な可能性が高まるとWu氏は言います。

「今、私たちは余った再生可能エネルギーを捨てています。この余剰の再生可能エネルギーを化学物質に蓄えることができるのです。このプロセスは、何トンもの二酸化炭素を発生させる発電所でも使用できる拡張性があります。また、余分な二酸化炭素が発生している場所で変換できるため、効率的です。」

Wu氏は、二酸化炭素からの燃料生産の進歩により、自分が生きている間に人類が火星に降り立つことができると確信しているといいます。

「現在、火星から戻ってこようとすると、2倍の量の燃料を持っていかなければならず、非常に重たいです。将来的には、他の燃料も必要になるでしょう。そこで、二酸化炭素からメタノールを製造し、それを使って他の下流材料を製造することができます。そうすれば、いつか火星に住めるようになるかもしれません。」

Published by University of Cincinnati. Tianyu Zhang et al, Regulation of functional groups on graphene quantum dots directs selective CO2 to CH4 conversion, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-25640-1
タイトルとURLをコピーしました