クイズ:電気を発電したり、物（車など）を動かしたりするさまざまな方法のうち、太陽のエネルギーを使用しないものはどれでしょうか?
化石燃料？いいえ。何百万年も前、原始的な植物は太陽のエネルギーを吸収して成長していました。しかし残念ながら、それらの植物は枯れて石油のような物質に変わり、それを私たちは車で燃やしました。つまり、ある視点から見ると、そのガソリンは液体の太陽エネルギーであり、しかも蓄積に非常に長い時間がかかるのです。
風力エネルギー？では、風はどこから来るのでしょうか？その大きな要因の一つは、地球の大気の不均一な加熱です。これにより、ある場所の空気が膨張し、他の場所へと押し出されます。この動きが風です。動く空気が風力タービンのブレードを押すと、発電機が回転して電気を生み出します。
水力発電？これは、川を水が流れる際に重力による位置エネルギーが減少することを利用してタービンを回す仕組みです。しかし、水はその位置エネルギーを太陽から得ています。太陽放射によって水（主に海水）が温められ、蒸発します。そして、その蒸発した水は最終的に雨となって湖や川に流れ込み、このサイクルを繰り返します。（もちろん、水は太陽光がなくても蒸発しますが、ここでは太陽が重要な役割を果たしています。）
残るは、太陽に依存しない主要なエネルギー技術、原子力と地熱の2つだけです。原子力発電所は蒸気を発生させてタービンを回します。エネルギーは、ウランなどの高質量原子を小さな破片に分解することで得られます。分解された原子の質量は、元の原子の質量よりわずかに小さいため、エネルギーが得られます。これは、アインシュタインの有名なE = mc 2 の式から分かります。
しかし、原子はこのエネルギーをどこから得るのでしょうか？答えは、爆発する恒星です。超新星爆発の極限のエネルギーは、より小さな元素をより重い元素へと融合させる条件を作り出します。そして数十億年後、私たちはそのエネルギーを原子炉で再び取り出します。
さて、地熱についてです。これはおそらく私たちが利用できる最高のエネルギー源でしょう。地球内部の熱エネルギーを利用して電気エネルギーを生み出します。まるでタダで手に入るお金のようなものです。しかし、タダで手に入るお金（あるいはタダで手に入るエネルギー）には常に疑問を持つべきです。そこで、考慮すべき点が2つあります。そもそもこの熱エネルギーはどこから来るのか？そして、このエネルギー源は使い果たされるまでどれくらい持続するのか？ここが面白いところです。簡単な説明と推定値を教えてください。
それはどこから来るのか?
熱いものにはエネルギーがあり、これを熱エネルギーと呼びます。熱い物体から得られるエネルギー量（ΔE ）は、質量（ m）、温度変化（ΔT）、比熱容量（C）の3つの要素によって決まります。
イラスト: レット・アラン
比熱容量とは何でしょうか？これは、物体が1℃あたり、質量あたりにどれだけのエネルギーを持っているかを示す用語です。これは物質の種類によってのみ異なります。同じ温度で水1グラムと発泡スチロール1グラムがあった場合、水の方が比熱容量が高いため、より多くのエネルギーを持っています。つまり、エネルギーを得ている物質の種類を知る必要があるということです。地熱の場合、主に地表近くの岩石と中心部の鉄がエネルギー源となります。
地球内部の熱エネルギーは、重力と放射能という二つの源から生じています。重力による部分は、惑星の形成に関係しています。初期の太陽系では、物質は他の物質に引力をかけ、互いに「落ちて」いきました。物質の塊が一緒に動くにつれて、速度が増し、衝突して温度が上昇しました。
つまり、重力による位置エネルギーから運動エネルギーの増加、そして最終的に熱エネルギーの増加へと変化するプロセスを経るのです。何かを床に落とした時にも同じことが起こります。物体は最初は重力による位置エネルギーを持っていたかもしれませんが、最終的にはわずかに高い温度で地面に落ちたのです。地球で起こったのもまさにこれです。
わかりましたが、それは随分昔の話です。なぜ地球は今でも熱いのでしょうか？地球は約50億年もの間冷え続け、宇宙にエネルギーを放射しています。しかし、地球内部がまだ熱い理由は、スケールの物理的性質に関係しています。つまり、大きなものは小さなものとは違うということです。地球内部の熱エネルギーは体積に比例し、体積は惑星の半径（r 3）の3乗に比例します。放射によるエネルギー損失は地球表面を通過しますが、これは半径（r 2）の2乗に比例します。
つまり、半径が2倍になると、熱エネルギーは8倍（= 2 3）に増加しますが、表面積は4倍（= 2 2）しか増加しません。つまり、物体が大きいほど、冷却に時間がかかります。これが、月の内部が地球よりもはるかに冷たい理由です。
しかし、地球の重力形成だけでは、現在の地球内部の温度を説明するには不十分です。もう一つのエネルギー源は、ウラン、トリウム、カリウムといった重い元素の放射性崩壊です。
では、地球上の熱エネルギーをすべて使い果たすにはどれくらいの時間がかかるのでしょうか？それは、地球上の熱エネルギーの量と、それをどれだけの速さで使い果たすかによって決まります。
いくらありますか?
まず、地球全体の熱エネルギーを推定してみましょう。念のため言っておきますが、推定は玉ねぎのようなものです。涙が出るからというわけではありません。推定には層があるからです。（パフェにも層がありますが、涙が出ることはありません。）
この推定問題の最外層では、大まかな仮定をいくつか用いるだけで済みます。まずはシンプルなものから始めて、どこまで到達できるか試すのが好きです。必要であれば、後から掘り下げて複雑なものにすることも可能です。それでは、まずは以下のデータから始めましょう。
- 地球の半径: 6.371 x 10 6メートル
- 地球の質量: 5.972 x 10 24キログラム
- 地球内部の温度：1,000～5,000℃
- 地球内部の比熱容量：800（鉄）～2,000（岩石）ジュール／キログラム／℃
ご覧の通り、温度と比熱容量の値は一義的に決まっていません。なぜなら、これらは核から岩石地殻へと移動するにつれて変化するからです。そこで、これからやることを説明します。総エネルギーが最小となる値を用います。低い値であっても、総エネルギーは非常に大きくなるのではないかと考えています。
さあ、やってみましょう。1,000℃から100℃への温度変化にかかるエネルギーを計算します。私は計算機にPythonを使うのが大好きなので、答えはここにあります。鉛筆アイコンをクリックして前提条件を変更し、「再生」をクリックしてコードを再実行できます。
すごいエネルギーですね。全部iPhoneを充電すれば、約10回26回充電できます。ええ、すごいですね。でも、もっとすごいのは何だと思いますか？人間が消費するエネルギーの量です。では、100%地熱発電にしたら、どれくらい持ちますか？
それはどれくらい続くでしょうか?
まず、電力とエネルギーの違いを確認しましょう。エネルギーとは先ほど計算したものであり、電力とはエネルギーの使用率です。
イラスト: レット・アラン
エネルギーをジュール、時間を秒で測ると、電力はワットの単位になります。例えば、普通の人間が自転車に乗ると約100ワットの電力を出力できます。もし、電力と総エネルギー（上記参照）がわかれば、このエネルギーをすべて使い切るのにかかる時間を計算できます。
地球上に80億人の人がいるとしましょう。もし全員がアメリカに住んでいるとしたら、一般的な家庭の平均消費電力は約1キロワットになります。4人家族だとすると、1人あたり250ワットになります。もちろん、これは高すぎます。地球上の他の人々は、これほど多くのエネルギーを利用できるわけではありません。地球全体の平均が100ワットを下回っても驚きませんが、ここでも保守的に、高い方の数値を採用することにします。
これで、地球上の4×10の30乗ジュールを8000億ワット（100ワット×80億人）の電力で使うのにかかる時間を計算できます。ああ、もう1つ。熱エネルギーから電気エネルギーへの変換効率は100%ではないと仮定します。例えば、熱エネルギーの10%だけが有用な物質に変換されるとします。すると、以下のようになります。
これは素晴らしいニュースです。こうした低い推定値でも、二酸化炭素排出や核廃棄物ゼロで170億年分の電力を無料で得られるはずです。それは太陽の寿命よりも長いのです。私自身、地熱発電の支配者たちの到来を心待ちにしています。
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