水素は化学元素の中で最も軽い元素ですが、生命における役割や、世界の課題を解決する手段としての可能性という点では、大きな力を持っています。元素周期表の誕生150周年を祝う今、周期表の筆頭に位置するこの元素に敬意を表するのは当然といえるでしょう。
水素は宇宙で最も豊富な元素ですが、その軽さゆえに気体として宇宙空間へ逃げてしまうため、地球上では豊富とはいえません。水素は私たちの命に欠かせない元素です。太陽の燃料であり、太陽は毎秒、数億トンもの水素をヘリウムに変換しています。また、水素原子2個と酸素原子1個が結びつくと水になります。これらの性質があるからこそ、地球は人間が住める惑星となっているのです。
水素は太陽が地球を暖め、生命を支える水を生み出す役割を果たしているだけでなく、すべての元素の中で最も単純なこの元素は、地球にエネルギーを供給するクリーンな燃料を見つける鍵にもなりうるのです。
エネルギー源としての水素の光と影
多くの化学元素と同様に、水素は私たちにとって非常に価値の高いものですが、その一方で危険な側面も持っています。空気より軽いため物を浮かせることができ、そのため初期の飛行船に使われました。しかし水素は極めて爆発しやすい性質を持っており、1937年にはドイツの飛行船ヒンデンブルク号が大西洋横断飛行の後、係留マストへの接岸を試みた際に爆発し、36人が死亡しました。
水素の仲間である重水素とトリチウムは、重水素と総称され、水素爆弾の製造に使われてきました。ここでは、太陽内部で起きる反応と似た仕組みで、重水素の原子核が融合してヘリウムになる核融合と呼ばれる過程が起きます。この過程で生じるエネルギーは、既知のいかなる過程よりも大きく、爆発の中心部はほぼ瞬時に蒸発し、衝撃波が生じて周囲のあらゆるものを破壊します。発生する強烈な白い光は、何マイルも離れた場所にいる人の視力を奪うこともあります。また、放射性物質を生み出し、それが空気中に運ばれて、環境に広範囲な汚染をもたらします。
しかし、この手ごわい元素を手なずけることができれば、将来のエネルギー問題の解決策となるかもしれません。制御された方法で燃焼させると、水素は最もクリーンな燃料となり、副産物として水しか生じません。これは、気候変動を引き起こす二酸化炭素やその他のさまざまな有害ガスを排出するガソリンエンジンと比べると、実に望ましい特性です。華氏マイナス400度という極低温かつ高圧で貯蔵すると、水素は液体になり、酸素との燃焼によってロケットを宇宙へ打ち上げる推進力として利用されています。
しかし、爆発性の高い水素ロケット燃料のタンクを車に積むというのは、安全とは言いがたいでしょう。現在、水素の貯蔵問題の解決を目指す研究が数多く行われています。多くの科学者が、水素を安全に保持・放出できる化学化合物の開発に取り組んでいます。これは実に難題であり、解決には時間と多くの優れた知見が必要とされています。
水素の力
水素原子は、レモン汁や酢に特有の酸味を与える役割も果たしています。唯一の電子を失った正電荷の水素原子は、陽子と呼ばれ、これらの溶液中を漂っており、酸の主要な構成要素です。また、これらの陽子の化学作用は、植物が光エネルギーを化学エネルギーに変換する過程である光合成を促進し、人体内における多くの働きを支える役割も担っています。
陽子は燃料電池においても重要な構成要素です。燃料電池は水素を燃焼させるのではなく、電気に変換する装置であり、未来のエネルギー技術として注目されています。燃料電池の一方の側で水素ガスを陽子と電子に分解します。正電荷を帯びた陽子は電池のもう一方の側へ移動し、負電荷を帯びた電子は取り残されます。これにより、外部回路に接続すると電池の両側の間に電流が流れます。この電流は、回路に組み込まれた電動モーターを動かすことができます。水素を動力とする列車はすでにドイツで運行されており、また複数の国際的な自動車メーカーが燃料電池を動力とする自動車の開発を進めています。ここでも、この過程で唯一生じる副産物は水です。
今後、水素が燃料として利用される機会は増えていくと考えています。水素を有効に活用するには、2つの大きな課題があります。1つは貯蔵問題です。技術者は水素を安全に貯蔵する方法を見いだし、人々が燃料を補給できる施設の整備に着手する必要があります。化学と工学の急速な進歩により、水素ステーションは間もなく各地に設置され始め、今日のガソリンスタンドのように身近な存在になる可能性があります。このようなインフラは不可欠です。ガソリン車と違い、移動の途中で燃料が切れても、友人に水素のボンベを持ってきてもらうことはできないため、燃料切れは絶対に避けなければなりません。
もう1つの課題は、水素そのものを確保することです。水素ガスは軽いため大気圏の外へ逃げてしまい、自然界に存在する量は私たちが利用できるほどわずかです。そのため、水素は別の原料から製造し、回収しなければなりません。
現在、世界で生産される水素の大半は、木材や天然ガス・石油などの化石燃料から製造されています。これでは、水素がクリーンなエネルギー源であるという本来の目的が果たせません。水素の最も大きな供給源は、地球上で最も安全かつ入手しやすい液体、つまり水です。化学者が水分子をより効率的に分解して水素原子を取り出す方法を見いだせれば、それは大きな前進となるでしょう。
