メタンは二酸化炭素よりもはるかに強力な温室効果ガスです。
MITの研究者らが、メタン排出を抑制し、大気中から除去する有望な方法を考案しました。
この手法では、ゼオライトと呼ばれる安価で豊富に存在する種類の粘土を使います。
この素材は非常に安価なため、現在は猫砂の製造に使われています。
メタンは二酸化炭素よりもはるかに強力な温室効果ガスであり、大気中に存在する最初の20年間に顕著な影響を及ぼします。近年のグラスゴーでの国際気候交渉では、地球規模の気候変動を迅速に抑制する取り組みにおいて、メタン排出の削減が主要な優先課題として位置づけられました。
今回、MITの研究チームは、ゼオライトと呼ばれる安価で豊富に存在する種類の粘土を使い、メタン排出を抑制して空気中から除去する有望な方法を考案しました。研究成果は、学術誌ACS Environment Auに、博士課程の学生レベッカ・ブレネイス准教授デジレ・プラタらによる論文として掲載されています。
大気中のメタンといえば、石油や天然ガスの掘削、フラッキングを連想する人は多いものの、そうした発生源が世界のメタン排出量に占める割合は約18％にすぎないとプラタ氏は述べます。排出されるメタンの大部分は、焼畑農業、酪農、石炭や鉱石の採掘、湿地、永久凍土の融解などに由来します。「大気中に入るメタンの多くは、広範囲に分散した発生源から来ています。そこで、どうすれば大気から取り除けるかを考え始めました」と同氏は話します。
研究者らが見つけた答えは、非常に安価なもの、つまり特殊な種類の「土」、すなわち粘土でした。チームが使ったゼオライト粘土は、猫砂の製造に使われるほど安価な素材です。ゼオライトに少量の銅を加えると、極めて低濃度でも空気中のメタンを効果的に吸収することがわかりました。
仕組みの考え方は単純ですが、工学面ではまだ多くの課題が残っています。実験室での試験では、猫砂に似た銅を加えたゼオライト素材の微粒子を反応管に詰め、外側から加熱しました。メタン濃度がわずか2 ppmから2％までの範囲にあるガスを管に流しました。この範囲は、大気中に存在しうるあらゆる濃度を網羅し、直接燃焼させたりフレアで燃やしたりできない可燃限界未満の濃度も含みます。
プラタ氏によると、この方法には、空気中からメタンを除去する他の手法に対していくつかの利点があります。他の方法では、白金やパラジウムなど高価な触媒を使い、少なくとも600℃の高温が必要となる傾向があります。また、メタン濃度の高い流れと酸素濃度の高い流れを複雑に切り替える必要がある場合も多く、メタンと酸素はそれぞれ単独でも、組み合わさっても非常に燃えやすいため、装置は複雑になり、リスクも高まります。
「反応器を稼働させる600℃という温度では、メタンのそばにいること自体がほとんど危険です」とブレネイス氏は述べ、純酸素についても同様だと指摘します。「爆発が起きる状況を作り出すことで問題を解決しようとしているのです」。高い稼働温度は、工学面でもほかの問題を引き起こします。当然ながら、こうしたシステムはあまり利用されてきませんでした。
新しい方法について、土木環境工学のギルバート・W・ウィンスロー准教授であるプラタ氏は、「これほどうまく機能することに、今も驚いています」と語ります。この方法は約300℃で最も高い効果を発揮するようで、他のメタン回収プロセスと比べて加熱に必要なエネルギーが大幅に少なくて済みます。また、他の方法では対応できない1％未満の低いメタン濃度でも機能し、純酸素ではなく空気中で処理できるため、実用化に向けて大きな利点があります。
この方法ではメタンを二酸化炭素に変換します。世界中で二酸化炭素排出の抑制に取り組んでいることを考えると、悪いことのように聞こえるかもしれません。「『二酸化炭素』と聞くと、パニックになって『それは悪い』と言う人が大勢います」とプラタ氏は話します。しかし同氏によると、二酸化炭素が大気に及ぼす影響はメタンよりはるかに小さく、メタンは温室効果ガスとして最初の20年間では約80倍、最初の100年間では約25倍強力です。これは、メタンが大気中で時間の経過とともに自然に二酸化炭素へ変化するためです。この方法でその過程を加速させれば、短期的な気候への影響を大幅に減らせると同氏は述べます。また、大気中のメタンの半分を二酸化炭素に変換しても、二酸化炭素濃度の上昇は100万分の1未満（現在の大気中二酸化炭素の約0.2％）にとどまる一方、放射による温暖化全体の約16％を抑えられます。
チームは、このシステムの理想的な設置場所として、酪農施設や炭鉱など、メタンの発生源が比較的集中している場所を挙げています。メタンが蓄積すると火災や健康被害、爆発の危険があるため、こうした場所にはすでに強力な換気システムが備わっている傾向があります。残る工学的な課題に取り組むため、チームは米国エネルギー省から200万ドルの助成金を獲得し、こうした場所でメタンを除去するための専用装置の開発を続けます。
「鉱山の空気を利用する最大の利点は、大量の空気を動かしていることです」と同氏は話します。「鉱山労働者が呼吸できるよう新鮮な空気を取り込み、メタンが濃縮された場所での爆発リスクを減らす必要があります。そのため、鉱山で動かす空気の量は膨大です」。メタン濃度は着火するには低すぎますが、触媒が最もよく機能する範囲にあると同氏は述べます。
技術を個々の現場に適用するのは、比較的容易なはずです。チームが試験に使った実験装置は「部品がほんの数点しかなく、牛舎に設置する技術もかなり簡単なものにできるでしょう」とプラタ氏は話します。ただし、大量のガスは粘土の中を容易には流れません。そのため研究の次段階では、空気の流れを促すため、粘土素材を複数の尺度からなる階層構造にする方法に焦点を当てます。
「フレアや熱酸化装置で処理する濃度を下回るメタンを酸化するには、新しい技術が必要です」と、スタンフォード大学の地球システム科学教授で、この研究には参加していないロブ・ジャクソン氏は述べます。「現在、約2,000 ppm未満の濃度のメタンを費用対効果よく酸化できる技術はありません」。
ジャクソン氏はさらにこう述べます。「この研究や類似の研究を規模拡大するうえで、まだ多くの疑問が残っています。現場の条件下で触媒はどれほど早く劣化するのか。必要な温度を周囲温度にどこまで近づけられるのか。大量の空気を処理する際、こうした技術をどこまで大規模化できるのか」。
新しいシステムの大きな利点となる可能性があるのは、化学反応によって熱が放出されることです。メタンを触媒酸化するこのプロセスは、実質的に炎を使わない燃焼です。メタン濃度が0.5％を超えると、放出される熱はプロセスの開始に使う熱を上回り、その熱を発電に利用できる可能性があります。
チームの計算によると、「炭鉱では、発電所規模で発電できるだけの熱を生み出せる可能性があります。装置の費用を回収できることを意味するので、これは驚くべきことです」とプラタ氏は話します。「大気から物質を回収する解決策の多くは費用がかさみ、採算が取れません。私たちの技術は、いつかその例外になるかもしれません」。
新たな助成金を活用し、「今後18カ月で、現場でも機能するという概念実証を目指しています」と同氏は述べます。現場では、実験室より厳しい条件になることがあります。最終的には、既存の換気システムと互換性があり、その場に追加部品として取り付けられる装置の実現を目指しています。「炭鉱での応用については、3年後に商業設備の建設業者や利用者に引き渡せる段階を目指しています」とプラタ氏は話します。
プラタ氏とブレネイス氏に加え、チームにはイェール大学の博士課程学生エリック・ジョンソン氏と、MITの元博士研究員ウェンボ・シー氏が参加しました。この研究は、ガースナー慈善財団、ヴァンガード慈善信託、ベティ・ムーア発明家フェロー・プログラム、MIT研究支援委員会の支援を受けました。
