6月、米国エネルギー省は、一見すると平凡に思える発表を行いました。同省は今年、1億ドルを確保し、 22の新しいエネルギー・フロンティア研究センター（EFRC）の資金を拠出するとともに、既存のいくつかのセンターを更新することにしました。そのうちの1つ、プリンストン大学の新しい研究所には、4年間でほぼ1,100万ドルが交付される予定です。
しかし、表面のすぐ下を見ると、この発表は画期的なものになりうるプロジェクトの始まりを示すものでした。
著名な科学者たちのチームが結集し、現在は解決が不可能とされているエネルギーと環境に関する科学的な問いに取り組んでいます。このチームが成功すれば、植物と産業廃棄物で世界に電力を供給する方法を発見することになり、汚染を引き起こす化石燃料への依存から私たちを解放することになります。その過程で、まったく新しい科学の分野も生み出されることになるでしょう。
チームが成功すれば、植物と産業廃棄物で世界に電力を供給する方法を発見したことになります。
この科学分野は、生物模倣光励起化学（BioLEC）と呼ばれています。その目標は、光の最小の計量可能な単位である2つの光子のエネルギーを、化学反応を起こすためにどのように利用できるかを解明することです。
紙の上では単純に聞こえます。実際、植物は光合成の一環として、常にこれを行っています。しかし、BioLECは試験管に懐中電灯の光を当てるよりもはるかに複雑です。科学者たちは、これに長い間取り組んできましたが、これまでのところ、このような化学を実験室で再現することは不可能でした。しかし現在、研究者たちは、植物が自然に行う種類の反応を、実験室の管理された環境で行える可能性のある特別な装置を手にしています。
植物由来の有機分子から始めます。例えば糖やアルコールなど、炭素原子の鎖が酸素原子と水素原子（OH）に結合している分子であれば何でもかまいません。それらは非常に豊富に存在するため、見つけるのはそれほど難しくないはずです。有機化学の講義で苦労した人なら誰でも言うように、これらの分子では炭素原子をつなぐ結合が最も切断しにくく、炭素鎖をいじるよりも、ほぼどの原子結合を砕く方がうまくいく可能性が高いでしょう。
しかし、混合物に余分な光子を一つ加える方法を見つけられたらどうでしょう？そうすれば、炭素と炭素の結合は、はるかに弱くなるでしょう。
それらの結合を分解できれば、ジェット燃料を作ることができます。ジェット燃料も、主に炭素からなる別の分子です。紙の上では、アルコールから燃料を得るのは簡単に思えます。炭素同士を特定の方法でつなぎ合わせ、酸素原子を純粋な水の形で捨てるだけです。
科学者たちは、単一の光子のエネルギーを使って一部の炭素結合を切断する方法を以前から知っていました。しかし、ジェット燃料を作るには、すべての結合を切断するために2つ目の光子のエネルギーを加える必要があります。これは、現在持っている最先端の科学ツールを使っても、まだ難しすぎます。
これが非常に難しい理由の一つは、光を触媒に正確に照射する必要があるためです。触媒とは、化学反応に組み込まれることはなく、プロセス全体を促進し実現可能にする分子のことです。つまり、目に見えないほど小さなものの、ちょうど正しい部分に、ちょうど正しいタイミングで、非常に精密な量のエネルギーを加える必要があるということです。実際、必要とされる精度があまりにも高いため、これを解明できた人は今のところいません。
「ここで重要な点は、既存の化学では安定した結合を攻撃できないということです」グレゴリー・スコールズ（プリンストン大学の化学者で、BioLECプロジェクトの責任者）は、Futurism誌にそう語りました。「一度これらを攻撃して変化させることができれば、反応性の高い分子を得ることができます」——つまり、（植物であれ飛行機であれ）システムがエネルギーとして利用できる種類の分子です。
2冊の真新しい本にあるアルコール分子を想像してください。それらを一つの巨大な本にまとめたいと思うはずです（奇妙に聞こえるかもしれませんが、それがジェット燃料です）。ページをどう並べたいかも、すべて正確にわかっています。ビニールの包装（それが酸素原子と水素原子です）を外す方法もすでにわかっています。問題ありません。しかし、あなたはその頑丈な綴じ糸を外す方法がわかりません。そして、その重要な段階がなければ、（奇妙なことに）待ち望んでいたあの巨大な本を作ることはできません。
BioLECは、その綴じを解く化学です。そしてそれがうまくいけば、まったく新しい化学の領域が直ちに可能になるでしょう。
自然界にすでに豊富にあるもの（地中から複雑な方法で抽出する必要はありません）から、使える形のジェット燃料を製造できる化学です。サトウキビに光を当てて、安価で豊富なクリーンエネルギー源を作ることを意味します。また、スコールズと彼のチームが開発を目指している技術を使えば、産業プラントの副産物やその他の廃棄物を分解できるようになると考えられます。これにより、製造業界全体が大幅にクリーンになるだけでなく、産業廃棄物を、クリーンで生分解性のある化合物、あるいは燃料にすることさえできるでしょう。安価な原材料が豊富にあることは、エネルギーコストの引き下げにもつながります。ただし、一度手に入れた燃料を燃焼させることで生じる炭素排出は、これによってなくなるわけではありません。
「光合成では自然が似た原理を用いているので、私たちの研究はうまくいくと考えています」とスコールズは言います。「自然を直接真似しているわけではありませんが、原理の証明にはなります。」
「光合成では自然が似た原理を用いているので、私たちの研究はうまくいくと考えています。」
論理的には、それほど難しいはずはありません。「なんだか簡単そうに聞こえます。『ああ、光を二回吸収すればいい』という感じです」とスコールズは言います。しかし、もちろんそう簡単ではありません。「それよりもずっと難しいのです。さまざまな戦略がありますし、だからこそ、さまざまな人材が必要なのです。」
これほど難しい問題を解決するため、化学、工学、高エネルギー物理学など、分野の異なる専門家が初めて手を組みました。プリンストンでは、スコールズは、他の研究施設で他のエネルギー関連プロジェクトに取り組むチームのリーダーたちと同様に、これまであまり協力してこなかった分野の科学者を集める必要があります。スコールズが言うように、彼らの研究の一部はお互いからあまりにもかけ離れており、事実上、異なる言語で話しているようなものです。それでも、それぞれが単独では到底できないような新しい発見をするために、協力し合う必要があります。
しかし、スコールズと彼のチームには秘密兵器があります。それはレーザー電子加速器施設（LEAF）。所在地はブルックヘブン国立研究所にあり、プリンストンと提携するLEAFは、国内で2か所しかないパルス放射線分解と呼ばれる技術が可能な施設の1つで、その技術は炭素結合——そしてその新しい化学分野——を大きく切り開くかもしれません。
パルス放射線分解は、基本的には、虫眼鏡で日光を集めて蟻を焼くようなものです。ただし日光の代わりに、非常に強力な電子ビームを使い、蟻の代わりに、裸眼では見えないほど小さな分子を対象とします。LEAFは、研究対象の分子に、強力で極めて短命な電子のバーストを送り込みます。これらの電子ビームは分子と衝突してエネルギーを与え、それによって化学反応が引き起こされ、分子内の原子間で強力な新しい結合が切断・形成されます。
途方もなく短い時間枠（10億分の1秒程度）でこれらの反応を研究することで、BioLECチームは反応の中間段階、つまりエネルギーが加えられたときに分子がとるさまざまな構造や形状を観察できます。LEAFで働くブルックヘブン国立研究所の化学者マシュー・バードが、電子メールでFuturism誌に説明しています。
これにより、BioLECの研究者は、触媒にエネルギーを照射する際に何が起きているのかを正確に理解し、実験室でこれらの反応をより効率的に誘発できるようになります。
非常に困難な課題です。このような初期段階では、スコールズと彼のチームが4年間でその目標をすべて達成できるかどうかは、確実には言えません。しかし彼は、達成できると楽観しています。結局のところ、その基礎となる科学はすでに存在するのです。大きくて頭の悪い植物でさえ、2つ目の光子を吸収する方法を見つけられるのなら、なぜ私たちにできないのでしょうか。
「実のところ、私たちが何を成し遂げられるかを考え、同僚や人々をまとめてこれに取り組むのは、とても刺激的なことです」とスコールズは言います。「私にとって刺激的なのは、その過程で本当に影響力の大きい科学が生まれるということです。これは漸進的な研究ではありません。」
