資源が限られ、重大な気候変動を示す証拠が相次ぐなか、持続可能性は世界的に重要なテーマとしてますます認識されている。デザイン、エネルギー、素材などの分野を考えてみよう。持続可能性に関連するこれらの中核概念は、広範なイノベーションを統合する領域の一部である。
「今や持続可能性は流行語です」と、MITの土木・環境工学（CEE）教授、Oral Buyukozturkは言う。「しかし、この概念はあまりに曖昧に使われることが多く、本当の意味が分からない人も少なくありません。」
力学、建設資材の耐久性、健全な設計に重点を置くBuyukozturkは、CEEで複数の学際的な取り組みを推進してきた。いずれも、インフラ向けの定量的に持続可能な設計に関する科学と工学を前進させることを目指している。
科学と工学こそが、高層ビルを立たせ、素材の耐久性を保ち、インフラを損なわれない状態に維持するものだと彼は考えている。
「物理インフラや土木インフラは、時間の経過とともに必然的に劣化します」とBuyukozturkは言う。「建設資材の劣化は世界的な問題であり、私たちは二つの課題に直面しています。既存の構造物をどう修復・補修するか、そして今日の条件下でより耐久性の高い新たなシステムをどう構築するか、です。」建築環境の持続可能性に関する彼の研究は、解決策の提示を目指している。
工学の観点から持続可能性の概念を明確にするため、Buyukozturkは2011年に インフラ科学・持続可能性研究所 （LISS）を設立した。現在、相互に関連する複数の取り組みを擁するLISSは、既存の物理インフラの持続可能性を詳細に評価し、新たなシステムの設計を向上させることで、社会と経済の発展に寄与することを目指している。
LISSには、動作検知や分散型無線センサーネットワーク、建設資材のイノベーション、インフラのエネルギー効率、さらに地震工学における新たな設計パラダイムなど、相互に関連する複数の取り組みが含まれる。
LISSは、構造物の健全性モニタリング、地震工学、地震学に関する国際会議での論文発表や、 掲載 を通じて、研究成果や新技術を広く発信している。掲載誌には、 米国科学アカデミー紀要などがある。
LISS、クウェートの建築環境の持続可能性に取り組む
LISSの枠組みのもとに集められた研究のなかで、特に野心的な取り組みの一つが「クウェートの建築環境の持続可能性（SKBE）」である。「クウェート・MITシグネチャー・プロジェクト」の第1号として名付けられたこの計画は、2013年3月13日に発表された。
MITとクウェートの研究者30人以上に加え、MIT各所から集まった多数の大学院生が参加するこのチームは、建築資材、センシング、エネルギー効率、レジリエンス、都市計画の分野でイノベーションを生み出そうとしている。
多岐にわたる分野を取り込むこの計画について、SKBEの主任研究責任者であるBuyukozturkは、「全体的な目標は、極限条件下にあるクウェートの建築環境の持続可能性を実現するため、革新的な解決策と方法論を開発することです」と語る。最終成果は、クウェートの建築環境の将来に向けた青写真となる。
「このプロジェクトは、都市計画に独自のマルチスケール・アプローチを用いて、素材、建物、近隣地域のエネルギー効率とライフサイクル効率に大きく貢献します。クウェートの今後の都市開発に役立つとともに、再生可能エネルギーの概念を視野に入れ、既存の建物や町でのエネルギー利用を改善します」と、KISRのエネルギー・建築研究センターの研究科学者であり、同シグネチャー・プロジェクトの共同主任研究責任者であるAli Hajiahは語る。
SKBEは、クウェート科学研究所とクウェート大学の科学者たちとMITとの長年にわたる交流を経て発展し、クウェート科学振興財団がクウェート・天然資源・環境MITセンター（CNRE）を通じて拠出する497万ドルの助成金で運営されている。
Buyukozturkによれば、この取り組みの魅力は「注目を集める課題」が一体となっている点だ。急激な人口増加、地震による地盤の揺れ、危険な気象条件、エネルギー変換、将来的なエネルギー枯渇が含まれる。クウェートで究極のエネルギーシステムを救済・活用するための実社会での応用範囲は広い、と彼は付け加える。
「私の知る限り、これほど大規模な問題に取り組む、この規模のプログラムは他にありません」とBuyukozturkは言う。「課題は、持続可能性について話すだけでなく、解決策を生み出すために、全員が協力して取り組むことです。」
インフラ更新に向けた統合的なアプローチを求めるクウェート政府の要請を受け、この計画は三つの研究の柱を掲げる。ナノ工学を応用した建設資材、性能ベースの工学・信頼性・エネルギー効率、そしてクウェートにおける建設資材と建物のライフサイクル性能である。
「クウェートのマスタープランに基づいて複数のインフラ事業が実施される予定です。三つの関連する研究分野に分かれたこの独自のシグネチャー・プロジェクトは、将来のインフラシステム、既存インフラの改修、教育、経済、建設業界に向けて、重要な科学的知見と恩恵をクウェートにもたらすでしょう」と、クウェート市議会議員であり、同プロジェクトのコーディネーター兼共同主任研究責任者であるHasan Kamalは言う。「湾岸地域への恩恵に加え、プロジェクトの成果は基準、規制、規範の改定にも活用されます。」
SKBE、耐久性の高い建設資材を開発
プロジェクトの成功例の一つは、クウェートの建設現場の多くで現在使われているコンクリートよりも劣化しにくく、風雨に耐えるよう設計されたコンクリートの開発である。
「クウェート大学には、固体600-NMR、N2/H2O吸着測定、ラマン分光法、ナノインデンテーションといった高度な技術があります。この独自のプロジェクトを通じて、セメントの特性評価と最適化にこれらの技術を初めて導入しています」と、クウェート大学の学術・大学院研究担当副学部長で、同大学ナノスコピー科学センターの指導者、かつプロジェクトの共同主任研究責任者であるAli Bumajdad教授は語る。
実験と、土木・環境工学科長Markus Buehlerが主導するマルチスケール計算モデリングを組み合わせた反復プロセスを通じて、SKBEチームは火山灰を取り入れたセメントペーストの組成を開発している。火山灰はペルシャ湾地域／アラビア半島全域で見られる素材だ。この組成で作ったコンクリートは多孔性が低く、水の浸透に強いため、チームの持続可能性目標にかなう。
「私たち［SKBE］は、Buehler教授の研究グループが研究している生物材料を建設・建築資材に取り入れています」と、CEEの大学院生でSKBEの協力者であるSteven Palkovicは言う。「この研究が革新的なのは、セメント系基材にマルチスケール・アプローチを適用する初期の試みの一つであり、世界で最も広く使われる建築資材の一つに生物材料から得た知見を応用する継続的な取り組みだからです。」
Buyukozturkによると、この取り組みはクウェートと将来のミッションの双方で、費用とエネルギーの節約につながる。
「これは、現地で入手できる素材を使ってセメントの一部を置き換え、より優れた性能を発揮し、製造コストが抑えられ、長持ちする素材を作る新しいコンセプトです」と彼は言う。
このプロジェクトの構想は、計算材料モデリングとシミュレーションの基礎科学能力を、現行の実験技術と組み合わせ、クウェート固有の技術的課題に対応することだ。
これは、「素材と構造物に持続可能な解決策をもたらすモデルの第一歩です」とBuyukozturkは言う。
環境に応じたインフラの応答を制御する
ねじれ、振動、揺れといった建物の微妙な挙動を検知するセンサーは、災害が起こる前に構造上の損傷や弱点を特定できる可能性がある。
SKBEの取り組みの一環として、世界で最も高い彫刻的建築物であるクウェート市のアル・ハムラ・タワーにセンサーネットワークを設置し、地震時の挙動や環境の影響を監視している。「この独特なタワーの動的特性を調べるため、実物大の有限要素モデルを構築し、計測機器を設置する前に最適なセンサー配置を解析します」と、CEEのポスドク研究員Hao Sunは言う。「最適なセンサー配置の目的は、実用的な構造物健全性モニタリングにおいて、限られた数のセンサーで構造物についてできるだけ多くの情報を得ることです。」
建物の動きを測定するため、クウェート各地にはGPS装置と加速度計も設置されている。「建物の動きと変位を継続的に監視するため、アル・ハムラにGPS装置を2台設置しました」と、GPSの専門家でMIT地球・大気・惑星科学科（EAPS）の教授であるTom Herringは言う。「GPSは建物の動的挙動をリアルタイムで監視できる可能性があり、地震や環境が建物に及ぼす影響を把握し、安全性の評価に役立ちます。」
SKBEの特別な目標の一つは、クウェートの高層ビルや超高層構造物に作用する地震荷重を検討することだ。「地域の地震は、クウェートの建物の安全を脅かす重要な要因です」と、EAPS教授で共同主任研究責任者のNafi Toksozは言う。「性能ベースの工学概念を用いて、建物の応答モデリングと性能予測に必要なデータを提供するため、地域の地盤震動を算定する堅牢な方法論を検討しています。」
Buyukozturkによると、これらの新技術は、安全性と信頼性のために既存インフラを改修する判断に役立ち、将来の建築システムを最適なエネルギー効率と堅牢性を備えるように設計する助けとなる。
インフラのエネルギー効率とライフサイクル性能を高める
SKBEの第三の研究分野を主導するのは建築家たちだ。チームメンバーの一人で、MIT建築・計画学部の准教授であるChristoph Reinhartは、クウェートを大規模な実験室と見立て、持続可能な設計シミュレーションと計画モデルを適用している。
ReinhartはMITの学生やクウェートの同僚とともに、クウェート市の典型的な近隣地域にある各住居を地図化し、住民のエネルギー使用量と、各住居に内包されるエネルギー使用量（構造物の建設と寿命を通じた維持に必要なエネルギー）を割り出している。また、同グループは、徒歩で移動する人にとっての店舗、公園、その他の場所の近さやアクセスのしやすさを示す、各都市近隣地域の「歩きやすさ」も地図化している。
この研究は、急速な人口増加と、クウェート国民に手頃な住宅を提供するという自国の責務による強い圧力に直面するクウェート政府に、計画策定の指針を提供する。
「ここで実際に行っているのは、今日から使える、根拠に基づいた設計ツールを作ることです」とReinhartは言う。「今後10年間に建物でどれだけのエネルギーが使われるかを示せれば、クウェートの人々は、古い建物に太陽光発電設備や断熱性の高い窓を導入する、あるいは夏に建物を涼しく保つ新しい建材を採用するといった、戦略的な判断を下せます。」
Reinhartの研究は、クウェートが持続可能な建設について選択する際に生じる可能性のあるトレードオフを明らかにしている。彼のモデルが最もエネルギー効率に優れ、近隣地域の歩きやすさも高めると示唆する、適切に設計された高層ビルは、昼光利用にはあまり適さない。昼光利用とは、窓から入る自然光を使い、人工照明の必要性を減らす技術だ。建物の密度を高めればエネルギーを節約できる一方、快適な居住空間を求めるクウェートの人々の希望を損なうおそれがある。
クウェートがこの研究成果をどう活用するにせよ、Reinhartは近隣地域のモデリングを「大きな影響をもたらし得る、刺激的な新しいエネルギー政策ツールです」と捉えている。特に、より大規模に導入されるにつれて、その可能性が高まるという。
さらに、MIT土木・環境工学科および建築学科の1942年卒業生記念教授であるJohn Ochsendorfは、Reinhartと協力し、クウェートの建設資材が環境に与える影響を定量化している。目標は、建物の運用と建設の両方で、エネルギーを節約する機会を特定することだ。Ochsendorfによれば、「このプロジェクトは、将来の低エネルギー都市の計画と設計に統合的なアプローチを提供します。」
SKBEは当初3年間の計画だったとBuyukozturkは言う。現在は3年目に入り、当初想定していた期限を超えて自然に継続することを示唆している。「この延長によって、私たちがこのプロジェクトで構築した知的枠組みと開発の恩恵を、彼ら［クウェート］がさらに受けられることを示す兆候があります」と彼は説明する。「特に、私たちが作成した青写真の物理的な実施段階まで、延長して続けることを望んでいます。」
SKBEは、連携による相乗効果の恩恵を示す第一歩であり、クウェートの建築インフラの安全性と効率性に対応する一連の技術に、科学的基盤を提供する取り組みである。
「SKBEの成功は、クウェートの条件に特化した解決策を生み出せるかどうかにかかっています。同時にこのプロジェクトは、社会における科学に基づく技術事業の変革の根底にある原則、すなわち科学の進歩（グローバル）からの推進力と技術需要（ローカル）からの牽引力を結び付けることを示しています」と、原子力科学・工学科の共同研究者であるSidney Yip教授は言う。
エネルギー使用量の詳細なマップ作成から、風雨に耐える強固なインフラのための耐久性の高い建設資材の製造に至るまで、クウェートの定量的に持続可能な設計は、他のLISSの取り組みとともに「非常に大きな成果になるでしょう」とBuyukozturkは語った。
本記事は MIT Newsとの協力により掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムが本記事の見解を支持することを意味しません。
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著者：Kelsey Damradは、MIT Newsの土木・環境工学科の記事を執筆している。
画像：上海の虹橋空港近くの建設現場で働く作業員。REUTERS/Aly Song。
