科学者たちは、化石燃料の代わりにバイオマテリアルから炭素繊維を作る方法を探っています。
炭素繊維は、ほぼ純粋な炭素の結晶からなる細い糸で、鋼鉄の5倍の強度を持ち、剛性は2倍です。
炭素繊維は従来、製造コストが高く、持続可能性にも欠けています。
科学者たちは、ほとんどの植物に含まれ、製紙の副産物でもあるリグニンを炭素繊維に転換する研究を進めています。
バイオベースの炭素繊維は、軽量な電気自動車や建築物の製造に使われる可能性があります。
科学者たちは、炭素繊維を、バイオマテリアルから作る取り組みを進めています。これは化石燃料の代わりに用いることで、炭素排出を生じない素材の開発を目指す試みです。
上級科学者のエリック・フランク博士によると、バイオベースの炭素繊維は、電池の航続距離を延ばした軽量の電気自動車の製造に使える可能性があるとのことです。
建築分野では、コンクリートを炭素繊維で補強し、鋼材の代わりに用いることで、極めて薄い構造物の建設を可能にできる可能性があります。
「金属と比べて非常に強度が高く、しかも軽量であるため、この素材は驚異的な素材です」とフランク氏は語りました。同氏は、ドイツ繊維研究所（German Institutes of Textile and Fiber Research）（南ドイツ・デンケンドルフ）で炭素繊維開発および新素材部門の責任者を務めています。
ただし、同氏は付け加えて、「炭素繊維のカーボンフットプリントは、通常、非常に大きな問題があります」と述べました。
「（一般的な炭素繊維の）原料は石油由来ですが、私たちはこれから脱却しようとしています」と同氏は説明しました。「バイオベースの炭素繊維への需要は、以前よりもはるかに高まっています。問い合わせが殺到しています。」
当初は植物由来の素材から作られていた炭素繊維
炭素繊維は、ほぼ純粋な炭素の結晶からなる非常に細い糸です。直径はわずか5～10マイクロメートルで、鋼鉄の5倍の強度を持ち、剛性は2倍です。
この素材は当初、植物由来の素材（セルロースやレーヨンなど）から作られていたとフランク氏は述べています。その後、化石燃料由来の製品の価格が安く、性能も高かったため、バイオベースの炭素繊維は採算が合わなくなりました。
しかし、製造工程には膨大なエネルギーが必要であり、大量の排出物や有害物質が発生します。「炭素繊維をカーボンニュートラルにしたいのであれば、この工程すべてを作り直す必要があります」とフランク氏は述べています。
繊維を作るには、まず石油から非常に有毒なポリアクリロニトリル（PAN）を製造します。これを細い糸状に引き伸ばし、その後、酸素のない炉で加熱します。
バイオベースの炭素繊維への需要の高まり
この工程では大量のエネルギーが必要であり、炭素原子以外のすべてが燃焼するため、汚染も発生します。「数年前までは、これは話題にすらなりませんでした」とフランク氏は語りました。「人々が気にしていたのはコストだけでした。」
「今日では持続可能性がはるかに重要になり、石油もそれほど安くなくなったため、状況は変わりました。炭素繊維は、エネルギー消費が大きいため、その中でも重要な要素となっています。」
フランク氏は、ほとんどの植物に含まれ、製紙産業の副産物でもあるリグニンを炭素繊維に転換する方法を模索しています。
「原料としてリグニンを使用しています」と同氏は説明しました。「これは製紙産業で大量に蓄積される廃棄副産物です。通常は、コンクリートやアスファルトに添加されるか、焼却処分されます。私たちはこれを炭素繊維の製造に利用しています。」
「そのためには、化学的な方法で精製し、適した状態にする必要があります」と同氏は続けました。「その後、これを紡糸して繊維にするのですが、有毒な溶剤を使うのではなく、水中で直接行うことを目指しています。得られた繊維は、そのまま炭素繊維に転換できます。」
現在、炭素繊維は高価で持続可能性にも欠ける
バイオベースの炭素繊維の性能は、PANベースの繊維と比べると「中程度から下位」だとフランク氏は付け加えました。「バイオベースの炭素繊維がPANベースの繊維に取って代わるわけではないと申し上げたいです。並行して存在する第二の市場になるでしょう。」
炭素繊維は、航空機や自動車のほか、自転車、テニスラケット、風力タービンなどの高性能製品の製造に広く使われています。非常に軽量であるため、性能を大幅に向上させ、エネルギー需要を削減することができます。
しかし、製造コストが高く、持続可能性に欠けるという評判も高まりつつあります。
「航空機の製造では、すでに標準的に使用されています」とフランク氏は語りました。「重量の削減に役立つため、電気自動車においても大きな違いを生み出すことができます。」
「自動車業界は炭素繊維への移行を望んでいますが、現時点ではまだコストが高すぎて、十分に持続可能ではありません。自動車業界は価格に非常に左右されており、より持続可能な方法を求める動きが強まっています。」
昨年、炭素繊維で補強されたコンクリートを使用した最初の建物の工事が始まりました。CUBE（ドイツ・ドレスデン工科大学においてHenn Architekten社が設計した2階建ての建物）は、今年後半に完成する予定です。
「炭素繊維で補強されたコンクリートは、小規模ではすでに使われていますが、まだ大量普及の段階には至っていません」とフランク氏は述べました。「利点は、コンクリートをはるかに薄くできると同時に、重い荷重に耐えられることです。そのため、まったく異なる形状を設計することができます。目指すところは、現在使用されている膨大な量のコンクリートから脱却することです。」
バイオベースの炭素繊維は、石油由来の選択肢よりも手頃な価格になる可能性があります
炭素繊維の高コストは、一部には複雑でエネルギー消費の大きい製造工程に起因しています。フランク氏によると、世界の生産量は年間わずか15万トンだということです。
この素材のもう一つの欠点は、リサイクルや廃棄が難しいことです。ただし、再利用の方法も現在開発が進められています。「多くの人々がこの分野で革新に取り組んでいます」とフランク氏は述べました。
「すでにかなりの量のリサイクル炭素繊維があり、製品にも使われています。もちろん、リサイクルを重ねるごとに品質は低下し、いずれは廃棄しなければならなくなります。燃焼は選択肢になりません。非常に燃えにくいためです。多くの場合、古い鉱山に保管されています。」
エアバスは「持続可能な炭素繊維を探している」
しかし、持続可能で高性能な素材への需要が高まっていることから、世界中で研究開発が加速するにつれ、バイオベースの炭素繊維は間もなく手頃な価格になる可能性があります。
「すべての産業は、CO2の削減を迫られています」とフランク氏は述べました。「もはや任意ではありません。削減しなければ、非常に高額な負担が生じるようになるからです。エアバスなどの航空会社でさえ、持続可能な炭素繊維を探しています。」
「植物の原料を利用し、それを直接炭素繊維に転換する研究を進めています」と同氏は締めくくりました。「これは、石油や石炭といった化石燃料由来の炭素を大気中に加えるのではなく、植物を通じて空気中の炭素を取り込んでいることを意味します。」
