スタンフォード大学の研究チームは、鉱物を加熱することで大気中の二酸化炭素を素早く捕捉する革新的で低エネルギーの方法を開発した。この技術は自然の風化プロセスを強化し、前例のない速度で炭素を隔離し、農業や産業と組み合わせることで、炭素排出量の除去に役立つだけでなく、作物の成長と土壌の健康を改善することもできます。
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画期的な炭素回収技術：低コスト、高効率
スタンフォード大学人文科学学部の化学教授マシュー・カナン氏が率いる研究チームは、大気から二酸化炭素を永久に除去する経済的に実現可能な方法を開発した。研究結果はネイチャー誌に掲載された。彼らの技術は、一般的な鉱物を熱処理して、二酸化炭素を自然に吸収して貯蔵する反応性の高い物質に変換します。
カンナン教授は次のように語った。「地球には大気から二酸化炭素を除去できる鉱物が豊富にありますが、その自然な反応は人間の温室効果ガス排出を相殺するには遅すぎます。私たちの研究はユニークで拡張可能な解決策を提供します。」
急速な炭素固定のための風化プロセスの加速 自然界では、ケイ酸塩鉱物は水と二酸化炭素と風化して安定した炭酸イオンと重炭酸イオンを形成しますが、このプロセスには数百年、あるいは数千年かかることもあります。 1990年代以来、科学者たちは風化を加速させ、それによって岩石が二酸化炭素を吸収する速度を高める技術を模索してきた。
スタンフォード大学のポスドク研究員であるユシュアン・チェン氏とカナン教授は、ゆっくりと風化するケイ酸塩を、大気中の炭素を素早く捕捉して貯蔵できる、より反応性の高い鉱物に変換する新しいプロセスを開発した。この技術の開発は、スタンフォード大学のサステナビリティ・アクセラレーターからも支援を受けました。
「私たちは、単純なイオン交換反応を通じて不活性ケイ酸塩鉱物を活性化する新しい化学的アプローチを考案しました。結果は、それが予想以上に効果的であることを示しました」とチェン博士は語った。
セメント製造にヒントを得て、炭素回収がより効率的になる
この技術は伝統的なセメント生産からヒントを得たものです。セメント製造の最初のステップは、石灰岩を約 1,400°C に加熱して酸化カルシウムに変えることです。スタンフォード大学チームも同様の手法を採用したが、砂と混ぜる代わりに、酸化カルシウムをマグネシウムやケイ酸塩を含む鉱物と混合した。高温処理後、空気中の酸性二酸化炭素と素早く反応する酸化マグネシウムとケイ酸カルシウムが生成された。
これらの鉱物は二酸化炭素と接触するとすぐに反応し、安定した炭酸塩鉱物に変化します。室温では、材料はわずか 2 時間で完全に炭化しましたが、現実世界の条件に近いテストでは、空気にさらされた湿ったサンプルは数週間から数か月以内に炭化を完了しました。これは、自然の風化よりも数千倍速い速度です。
農業や産業に応用され、環境保護と経済的利益の両方を実現
この技術は幅広い応用が期待されており、広大な土地で二酸化炭素を捕捉できるだけでなく、農業で土壌の質を改善するためにも使用できます。 「農家は通常、土壌のpH値を調整するために炭酸カルシウムを使用しますが、私たちの材料は石灰の代わりとなるだけでなく、作物に吸収されるケイ素を放出し、収穫量と耐性を向上させることができます」とカンナン教授は説明した。
さらに、この技術を既存のセメント製造設備と統合することで、工業用窯を使用して反応性鉱物を大量生産することができ、コストをさらに削減し、実用性を向上させることができます。
スケールアップ: 研究室から世界への影響へ
現在、スタンフォード大学の研究室では週に約15キログラムの材料を生産できるが、世界規模で効果を上げるには、毎年何百万トンもの酸化マグネシウムとケイ酸カルシウムを生産する必要がある。研究チームは、鉱業で発生するオリビンや蛇紋石などの鉱滓を原料として使用することを計画している。これらの鉱物は豊富で、毎年世界中で4億トン以上の適切な鉱滓が発生しており、大規模な用途の潜在的な供給源となっている。地球には10兆トン以上のオリビンと蛇紋石の埋蔵量があると推定されており、これは人類が排出した量よりも多くの二酸化炭素を永久に除去するのに十分な量である。
研究者らは、窯を動かすために天然ガスやバイオ燃料を燃やすことで排出される炭素量を考慮しても、反応物質1トンあたり約1トンの二酸化炭素を除去できると推定している。世界の化石燃料排出量は2024年に370億トンを超えると予想されており、この技術が大規模に適用されれば、気候変動の緩和に大きな影響を与えることになる。
カーボンフリーの未来に向けて：電気炉技術の開発
二酸化炭素排出量をさらに削減するため、カンナン教授はスタンフォード大学電気工学部の准教授ジョナサン・ファン氏と協力して、化石燃料を燃やすのではなく電気で稼働する窯の開発に取り組んでいる。 「毎年何十億トンものセメントを生産する方法はすでにわかっており、セメント窯は何十年も稼働することができます。この知識と設計を活用すれば、実験室での発見から大規模な炭素除去まで明確な道筋が開けるでしょう」とカンナン教授は語った。
これを産業応用にうまく推進できれば、気候変動と闘う上で重要な進歩となり、人類がより持続可能な未来に向かって進むのに役立つでしょう。
参考文献
- スタンフォード大学、普通の岩石を炭素回収装置に変える低コストの方法を発見
- Stanford Scientists Just Found a Faster, Cheaper Way to Store Carbon Permanently
- Reference: “Thermal Ca2+/Mg2+ exchange reactions to synthesize CO2 removal materials” by Yuxuan Chen, and Matthew W. Kanan, 19 February 2025, Nature.DOI: 10.1038/s41586-024-08499-2
（最初の写真の出典：Bill Rivard / Precourt Institute for Energy）
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