エネルギーの進化：おいしいものから汚いもの、そしてほぼ無料へ

2018年12月10日午前8時

先史時代の狩猟から気候変動まで、安価なエネルギーを求める私たちの探求の超高速歴史。

人類の歴史を考えてみると（ちなみに、私も人間です）、歴史はエネルギーの探求の歴史だったと言えるでしょう。ありきたりなエネルギーではなく、安価な、あるいは無料のエネルギーを求めています。ほぼ無限のエネルギーがあれば、ほとんど何でもできるようになります。空気、水、あるいは土地から必要な材料を抽出できます。何かを建てることもできますし、宇宙に行くこともできます。エネルギーこそが鍵なのです。

しかし、無限のエネルギーを求める私たちの探求は、いくつかの問題も引き起こしています。エネルギー消費の変遷を見てみましょう。

食べ物

誰もが初期の人類のイメージを思い浮かべるでしょう。洞窟に住んでいた姿を思い浮かべるかもしれません。あるいは、何かの動物をゆっくりと追跡して食べていたかもしれません。ただし、恐竜に乗っている姿を想像しないでください。それは現実離れしています。

しかし、初期の人類は食物を手に入れ、食べることに重点を置いて生活していたことは明らかです（私も時々そう感じます）。食物がなければ生きられません。食物があれば、より多くのことが可能になります。食べれば食べるほど、エネルギーは（ある程度までは）増えます。

しかし、食料を得るにはエネルギーが必要です。食料は空から降ってくるわけではありません。さらに、人間が食料の調達に費やすエネルギーが、その食料に必要なエネルギー量を上回るとしたら、それは良くありません。最終的に、人間は必要以上の食料を得る方法を見つけました。農業は狩猟採集よりも効率的にエネルギーを得る方法です。また、人間はより安定したエネルギー供給を確保するために、食料を貯蔵する方法も発見しました。

重要なのは、初期の人類が食料をより容易に入手する方法を発見し、食料はエネルギー源であるということです。食料は人間のエネルギー需要を満たすためだけに使われるわけではありません。牛や馬に餌を与え、その動物に仕事をさせることも可能です。それでも、食料はエネルギー源です。

燃えるもの

例えば、水を温めたいとしましょう。食べ物のエネルギーを使って水を温めることはできるでしょうか？もちろんです。自分で試してみましょう。好きな食べ物を食べてから、2つの金属片を用意します。金属片をこすり合わせます（前後に滑らせながら）。止めずに、金属をこすり続けます。摩擦で金属が温まるまでこすり続けます。温まったら、温まった金属片を水に入れます。これで完了です。

確かに、水を温める方法としてはあまり良いとは言えませんね。何かを燃やした方が良いのではないでしょうか？薪を燃やせばいいでしょう。これは人類のエネルギー探求における次の大きな段階だと思います。木を燃やす必要はありません。石炭や石油など、何でも燃やせるのです。

燃焼の物理法則は非常にシンプルにまとめることができます。炭素（木材など）をエネルギーを使って酸素と結合させます。その結果、さらに多くのエネルギーと二酸化炭素などの物質が生成されます。ちなみに、エネルギーは炭素と酸素の間に化学結合を形成することで得られます。エネルギーは結合に蓄えられていると考えるのは誤りです。

火は食べられません。でも、火のエネルギーを使って素晴らしいことをすることができます。もちろん、物を温めることもできて便利ですが、食べ物を調理するのにも使えます。食べ物を調理することは非常に重要です。まず、人間は食べる前に調理することで、食べ物をより効率的に（エネルギー伝達をより効率的に）することができます。次に、調理済みの食べ物は生の食べ物よりも長く保存できます。さらに、味も良いのですが、これは単に調理済みの食べ物を長期間食べているからかもしれません。

しかし、物を燃やすことの本当の問題はここにあります。それはある意味素晴らしいことです。では、今最もよく燃やされているもの（石炭以外）であるガソリンに話を移しましょう。ガソリンの問題は、その高いエネルギー密度ゆえに、非常に優れた性能を発揮することです。エネルギー密度には2つの非公式な定義があります。1つ目は、単位体積あたりのエネルギー量（これが真のエネルギー密度です）です。しかし、単位質量あたりのエネルギー量（厳密には比エネルギー）を意味するために使用されることもあります。

ガソリンのエネルギー密度は1リットルあたり34.2メガジュール（MJ/L）です。リチウムイオン電池のエネルギー密度はわずか2MJ/L、サンドイッチ（食べ物の話ですから）のエネルギー密度は5MJ/Lです。つまり、このガソリンを車に積めば、長距離を走行できるということです。

素晴らしいということは、なぜそんなに悪いことなのでしょうか？それは、人間がガソリンの使用をやめるのが難しいからです。ガソリンが好きなのは、車にガソリンを満タンにして、何時間も運転して満タンになるまで走れるからです。これはまた、私たちが炭素と酸素を二酸化炭素に変えていることを意味します。人間が大気中に排出する大量の二酸化炭素が気候変動を引き起こしており、これはあまり良いことではありません。

太陽を利用する

私たちは太陽からエネルギーを得ることができます。これを太陽エネルギーと呼びます。皆さんは今、太陽光発電を思い浮かべているかもしれません。しかし、より専門的に言えば、食料や化石燃料も太陽エネルギーの一種です。私たちは植物からエネルギーを得ていますが、植物は主に太陽からエネルギーを得ています。化石燃料も植物から得られます。

現代の太陽エネルギー（屋根に設置されているソーラーパネルなど）の話に入る前に、人類が長きにわたり利用してきた他の形態の太陽エネルギーがあります。特に、水力と風力について考えてみましょう。

水が（自然に、あるいはダムから）下流に流れるとき、その下流に流れる水を利用する何かを作ることができます。例えば水車です。流れる水が巨大な車輪を回し、その車輪が何か役に立つ働きをします。しかし、この水のエネルギーはどこから来るのでしょうか？太陽です。太陽光が水に当たると、水は熱せられ、蒸発が起こります。水は空中に舞い上がり、最終的には雨となって地面に降り注ぎます。雨が降り始めた場所よりも高い地面に降り注ぐと、重力による位置エネルギーが増加します。

風力発電はどうでしょうか？風車は水車と似ていますが、風を利用する点が異なります。風は主に地球上の気圧の異なる領域によって発生します。気圧の高い領域と低い領域が隣り合っている場合、空気は気圧の高い方から低い方へと移動しようとします。ドカーン。それが風です。気圧の変化はどのようにして起こるのでしょうか？それは地形、地球の自転、雲、そしてもちろん太陽によって起こります。

さて、皆さんのお気に入り、太陽光発電についてです。この驚くべき装置は可動部品がありませんが、太陽のエネルギーを電気エネルギーに変換することができます。完璧ではありませんが、一度使えばほぼフリーエネルギーのようなものです。もちろん、実際にはフリーエネルギーではありませんが、それでも素晴らしいものです。

融合するもの

太陽に関係のないエネルギー源はどうでしょうか？それが原子力です。実は、原子、正確には原子核に作用することでエネルギーを得ることもできるのです。見るべきことがたくさんあるので、まずは原子から始めましょう。

地球上のすべての原子は、電子、陽子、中性子というたった3つの要素でできています。電子は原子の外殻にある負に帯電した粒子ですが、この状況ではそれほど重要ではないので無視してください。陽子と中性子は原子核の中にあり、原子を特定の元素にしている要素です。陽子を1つ増やしたり減らしたりすると、元素は別のものに変化します。原子核の変化は、核反応で起こる現象です。

さて、ウラン235のような原子を考えてみましょう。原子核に陽子が92個あるのでウランです。原子核に中性子が143個あるのでウラン235です（92 + 142 = 235）。ちょっと待ってください、このウランはどこから来るのでしょうか？今は気にしないでください。でも、ここからがすごいところです。ウランに別の中性子をぶつけると、魔法のようなことが起こります。ウラン原子は2つの原子、クリプトン92とバリウム141（そして余分な中性子）に分裂します。大したことないと思いませんか？でも、違います。

出発物質（中性子とウラン）の質量を測定し、次に最終的な物質（クリプトン、バリウム、そして中性子）の質量を測定すると、質量が失われていることがわかります。確かに、反応前の物質の質量は、反応後の物質の質量よりもわずかに大きくなります。しかし、心配しないでください。すべてが失われるわけではありません。ここで、アインシュタインの有名な方程式の派生形が登場します。はい、これは以前にも見たことがあります。E = mc ²です。質量はエネルギーの一形態です。つまり、質量が失われるということは、エネルギーが得られるということです。実際、ほんの少しの質量で、大量のエネルギーが得られるのです。

核反応を起こせば、エネルギーに変換されたこの物質を使って何か有用なことをすることができます。例えば、水を加熱して蒸気を作り、その蒸気でタービンを回すなどです。しかし、これは「フリーエネルギー」と言えるでしょうか？いいえ、そうではありませんが、それに近いと言えるでしょう。もちろん、原子炉を建設し、ウランなどの原料を入手する必要があります。また、核反応後に残った物質をどうするかという問題もあります。放射能が残っている可能性があり、おそらく有毒です。そのまま地中に埋めることはできません。それでも、かなり良い取引です（二酸化炭素も発生しません）。

ああ、もう一つ、もっと素晴らしい種類の核反応があります。原子を分解する反応（ウランの例のように）は核分裂と呼ばれます。質量の低い元素同士を結合させることも可能です。質量の低い原子の場合は、分解するのではなく結合することでエネルギーを得ることができます。これは核融合と呼ばれます。水素などの物質からヘリウムが生成できます。これは良いことですよね？ええ、確かに良いのですが、これをうまく機能させるのははるかに困難です。人類は今でも、核融合プロセスにおいて、核融合開始に必要なエネルギーよりも多くのエネルギーを出力できるようにしようと試みています。

今のところ、核融合は次なる最良のエネルギー源になりそうです。もしかしたら何か他のものが登場するかもしれませんが、もし核融合がうまく機能するようになれば、それが次の「安価なエネルギー」になるかもしれません。素晴らしいものになるでしょう。そのエネルギーをどう使うつもりですか？私は宇宙エレベーターの建設に使うつもりです。

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