人工葉は気候変動と闘い、エネルギーの未来となる

世界は葉による光合成のおかげで私たちのような霊長類にとって住みやすいものになり、現在科学者たちは多くの問題を再び解決するためにその人工的な変異体の作成に取り組んでいる、とサティエン・K・ボルドロイ氏は書いている。

恐竜の時代、地球はまだ人間が住める状態ではありませんでした。 大気中には二酸化炭素が豊富に含まれていました。 しかし、木とその葉は巨大でした。 それは、彼らが光合成と名付けたプロセスで、太陽光を利用し、二酸化炭素を取り込み、酸素を放出することを意味しました。 大気中の酸素が増加し、地球の寒冷化や植物の多様性などの他の要因とともに、霊長類の出現への道が開かれました。

このようにして、世界は木とその葉によって人間が住みやすいようになりました。 世界が新たな危機、つまり人為的な気候危機を経験する中、科学者たちは私たちのために地球を救うために木の葉に戻りつつあります。 唯一の違いは、今回の葉は人工の、人工的なもので、欠けがあります。 世界中の科学者は、気候変動からクリーンで豊富な燃料の製造に至るまで、私たちが現在抱えている多くの問題をそれらが解決することに賭けています。 この分野はまだ追いついていませんが、今日私たちが想像できる以上に世界を変える可能性を秘めています。

人類のエネルギー需要は桁違いに高まっています。 しかし、温室効果ガスを排出するため、それらを製造するためにこれ以上化石燃料を燃やすことはできません。 チェルノブイリと福島が示すように、原子力エネルギーにはそれ自体の危険が伴います。 光合成にヒントを得た人工葉技術は、ここ数十年で登場した最も有望な技術の 1 つです。 理由は簡単です。地球を汚染するのではなく、汚染物質である二酸化炭素を取り込み、酸素を放出しながら、私たちの必要に応じて燃料を生産しているからです。 したがって、これを大規模に再現できれば、グリーン エネルギーを生み出すだけでなく、世界の汚染を除去することもできます。

問題は、光合成が複雑で困難な化学反応であることです。 植物は何百万年もの進化のおかげでそれを簡単に見せていますが、実際には、太陽光を捕らえたり、水分子を分裂させて陽子を作り、大気中の二酸化炭素と結合して植物が成長するためのエネルギーを生成したりするなど、一連の複雑なプロセスが必要です。 何百万年もの実践にもかかわらず、プラントはせいぜい 1% の効率しか管理できません。 私たち人間にどんなチャンスがあったのでしょうか？

多くのことが判明しました。 科学者たちが気づいたのは、化学、生物学、IT という 3 つの科学分野を組み合わせて、人工葉またはバイオニック葉と呼んでいる天然葉の一種のバイオニック版を作り出すことができるということです。

人類は、植物が地球に届く光を吸収するために太陽に向かって葉を広げる様子を、長い間観察してきました。 私たちもこれを模倣できる何かを構築できたらと長年空想してきました。 人間が最初にこのアイデアを思いついたときにはテクノロジーは存在していませんでしたが、デジタル時代の今、私たちはそれを行うためのリソースを持っています。

「葉」という用語は誤称ですが、導きの光です。 これらのデバイスはチップと電極を備えたデジタル ガジェットであるため、誤った呼び名です。 誘導光は、基本原理が葉の光合成と同じであるため、広い表面積を太陽にさらしてエネルギーを取り込み、空気中に存在する化合物を取り込んで何かを生成します。

ソーラーパネルもチップでできており、太陽エネルギーで動作します。 太陽光発電パネルを人工葉と呼んでいいのでしょうか？ 実際にはそうではありません。原理は似ていますが、同じではないからです。 ソーラーパネルは太陽のエネルギーを取り出し、それを私たちの目的に使用できる電気エネルギーに変換するだけです。 私たちが人工の葉というとき、もう一つの複雑な層を意味します。それは、葉と同じように空気中からガスや化合物を取り込み、それらを私たちにとって役立つものに変える能力です。

バイオニック リーフの作成における最初の本当の進歩は 2011 年に達成されました。

2011年、ダニエル・ノセラ教授率いるMITの研究者らは、木の葉のように太陽エネルギーを直接化学燃料に変えることができる装置を開発した。 彼らの人工葉の美しさは、動作するために外部の配線や制御を必要としないことでした。 それは基本的に、さまざまな触媒材料が両面に結合されたシリコン太陽電池でした。 水に入れて日光に当てると水が泡立ちます。 これらは、一方の側は酸素の泡、もう一方の側は水素の泡でした。 両側を隔てる障壁となる容器に泡を入れれば、気泡を集めて燃料電池に供給して発電するなど、さまざまな用途に使用できる。 このデバイスは無線構成でも使用できますが、有線の場合、水分解効率は 2.5% から 4.7% に向上しました。 同じことを詳しく説明した論文はここで読むことができます。