DARPAは牡蠣の壁がハリケーンから海岸を守ることができると考えている

2018年10月10日、アメリカの制空権の要であるメキシコ湾のティンダル空軍基地は、空襲に見舞われた。フロリダ沖でカテゴリー2のハリケーンとして観測されたハリケーン・マイケルは、予想外にカテゴリー5へと勢力を拡大した。時速155マイル（約250キロメートル）の強風が基地を直撃し、電柱がなぎ倒され、F-22戦闘機が横転し、200棟以上の建物が倒壊した。唯一の救いは、半島に位置していたにもかかわらず、ティンダルが洪水被害を免れたことだ。マイケルによる9フィート（約2.7メートル）から14フィート（約4.3メートル）の高潮は、フロリダの他の地域を水浸しにした。ティンダルにとって最大の防御は幸運だった。

ティンダル基地で発生した50億ドル規模の災害は、米国国防総省が世界各地に所在する1,700の沿岸基地を守るために新たな対策が必要だと認識させるに至った、相次ぐ異常気象の一つに過ぎません。ハリケーン・ヘレンとミルトンが示したように、海岸沿いの住民は気候変動による複合的な脅威に直面しており、ペンタゴンも例外ではありません。海面上昇は海岸線を浸食し、より強力な嵐は陸地を浸水させる可能性を高めています。

これを受けて、ティンダルは今月後半、強まる波や高潮から海岸線を守る新たな方法を試験する。ラトガース大学の科学者が率いるチームが設計した試作型の人工リーフだ。幅50メートルのこのリーフは、それぞれ約46,000ポンド（約2万2千キログラム）のV字型構造物3つで構成され、試験によると波の威力を70%弱めることができるという。しかし、これは昔ながらの防波堤とはわけが違う。自然界で最も効果的な波消しの一つであるカキが生息できるように特別に設計されているのだ。

研究者たちがこれらの生物を最適化し、海に設置された新しい人工構造物と連携させることができれば、結果として得られる障壁が波のエネルギーの90%を吸収できると彼らは考えている。ラトガース大学ハスキン貝類研究所所長のデイビッド・ブシェク氏は、巨大嵐が来て自分のチームのユニットの正体が明らかになることなど望んでいないと断言する。しかし、彼はそれを望まないわけではない。「模型は常に不完全です。常に何かのレプリカです」と彼は言う。「本物ではないのですから」

このプロジェクトは、米国政府の国防高等研究計画局（DARPA）が開始した6,760万ドル規模のプログラムの下で開発されている3つのプロジェクトのうちの1つです。「リーフセンス（Reefense）」というおどけて名付けられたこの取り組みは、人工構造物とカキやサンゴを組み合わせた「ハイブリッド」リーフが、従来の防波堤と同等の性能を発揮できるかどうかを国防総省が検証するものです。DARPAは2022年に、いずれも米国の大学が率いる3つの研究チームを選出しました。2年間の集中的な研究開発を経て、ラトガース大学を筆頭に、彼らのプロトタイプが海中に投入され始めています。

今日、ペンタゴンは民間人と同じように、沿岸資産を強固にすることで保護しています。一般的な方法としては、擁壁で海岸を防御したり、岩やコンクリートブロックなどの重量物を長い列に並べたりすることが挙げられます。しかし、ハードスケープ構造物にはトレードオフがあります。波のエネルギーを吸収するのではなく、波を逸らすため、自国の海岸線を守ることは、他国の海岸線を危険にさらすことを意味します。また、ハードスケープ構造物は静的な性質を持っています。海面が上昇し、嵐が激しくなるにつれて、水がこれらの構造物を乗り越えやすくなっています。そのため、構造物の劣化が早まり、高額な修理が頻繁に必要になります。

近年、新たな考え方が生まれています。それは、自然をインフラとして活用するというものです。湿地やマングローブといった沿岸の生息地を復元することで、波や嵐を食い止める効果があることが分かっています。「防護壁を作るのではなく、自然が持つ波のエネルギーを吸収する能力を活用するのです」と、バージニア海洋科学研究所のドナ・マリー・ビルコビック教授は述べています。DARPAは特に、人間によって個体数が激減したものの、繁栄すれば優れた防波堤となる2つの生物、カキとサンゴに注目しています。

カキは、その成長過程から、効果的な波止めとして機能します。二枚貝は互いに積み重なり、大きく頑丈な塚を形成します。その結果生じる構造は、滑らかな防波堤とは異なり、隅々まで入り組んだ凹凸や渦巻き構造を呈しています。波が襲来すると、そのエネルギーはこれらの隙間に拡散し、カキのギザギザした複雑な表面にさらに伝わります。また、防波堤とは異なり、カキの堤防は成長します。カキは海面上昇と同程度の速度で垂直方向に成長できることが示されており、これは高潮や激しい嵐に対しても一定の防御力を維持することを示唆しています。

現在、特にアメリカの大西洋岸では、数百もの人工カキ礁が海岸を守るためにこれらの原則を採用しています。それぞれの礁は多様なアプローチを採用しており、自然の礁によく似たものもあれば、人工的な要素を取り入れたものもあります。食用としてカキを養殖し、沿岸保護という相乗効果も得られるものもあれば、海岸線保全のために特別に造られたものもあります。ビルコビッチ氏によると、こうした実験的な試みに欠けているのは、体系的なパフォーマンスデータ、つまりどのアプローチが最も効果的で費用対効果が高いかを検証できるデータです。「今、イノベーションが科学を上回っています」と彼女は言います。「プロジェクトを体系的に監視する何らかの方法が必要です。そうすれば、どの技術が最も効果的かをより深く理解できます。正直なところ、資金が不足しているのです。」

DARPAは、完璧なサンゴ礁を設計するために必要なデータの蓄積を待つのではなく、研究開発の集中的な実施によってサンゴ礁を迅速に革新したいと考えています。Reefenseは、助成金受給者に5年間の猶予を与え、従来の解決策と比べて大幅にコストを増やすことなく、波のエネルギーを最大90%吸収するハイブリッドサンゴ礁の設置を目指しています。人工のサンゴ礁は波を即座に遮断するはずですが、自然界では数十年かかるような構造を、生物が数ヶ月から数年で構築することで、迅速に強化されるはずです。

ラトガース大学のチームは、788個の連結されたコンクリートモジュールからプロトタイプを構築しました。各モジュールは幅2フィート、高さ30cmから60cmです。貝殻のような外観で、棚板はあらゆる方向に突き出ています。内部では、これらの棚板はすべて穴で繋がっています。

これはつまり、波がこの構造に衝突すると、内部構造に激突し、渦を巻いて、より低いエネルギーで流れ出ることを意味します。ミシシッピ州の波浪シミュレーターで縮尺模型を試験した米国陸軍工兵隊によると、この効果だけで波は70%弱まります。しかし、カキがこの構造に生息するようになれば、この効果はさらに高まるはずです。ブシェク氏と彼のチームは、カキを誘引するために、適切な硬さ、質感、そして陰影を持つ棚板の設計に努めてきました。

しかし、例えば病気で貝類が絶滅してしまったら、サンゴ礁の価値は下がってしまうだろう。そのため、DARPAはラトガース大学に、数十年にわたり大西洋産のカキを悩ませてきた原生動物であるデルモ病に耐性のあるカキの遺伝子操作も委託した。DARPAは遺伝子組み換え技術を用いた耐性カキの遺伝子操作を禁止していた。しかし、近年のゲノミクスの進歩により、ラトガース大学のチームは病気に耐性のあるカキを個体ごとに迅速に特定できるようになった。研究チームはこれらのカキを実験室でデルモ病に曝露させ、生き残ったカキを交配させることで、より丈夫な貝類を作り出す。通常、病気に耐性のあるカキの世代を交配させるには約3年かかるが、ブシェク氏によると、彼のチームはそれを1年で実現したという。

温帯海域ではカキが国防総省のニーズに適しているかもしれないが、熱帯気候の基地ではサンゴが防波堤として最適だ。例えばハワイは、海底に沿って緩やかな傾斜を描きながら数百ヤード沖合に広がる「裾礁」サンゴ礁の保護を受けている。ハワイ大学応用研究所の海洋学者で、同大学のリーフセンス・プロジェクト責任者であるベン・ジョーンズ氏によると、このサンゴ礁の巨大で複雑、かつ多孔質な性質は、波のエネルギーを長距離にわたって分散させるという。海岸線では波が穏やかに打ち寄せているのに、沖合では6～8フィート（約1.8～2.4メートル）の波が立つのは珍しくないという。

この効果に着想を得て、ジョーンズ氏と研究チームは、海岸線が急速に後退しているオアフ島の米海兵隊基地付近に設置するアレイを設計している。最終的な設計はまだ決まっていないが、大まかな概要は以下の通りだ。幅50メートルの障壁を2列に並べ、その背後にピラミッド型の障害物を20個設置する。これらはすべて、傾斜した形状と多数の大きな穴を持つ、中空の薄壁構造だ。波が衝突すると、側面を這い上がってエネルギーを失うが、この構造の2つの設計要素、つまり穴の幅と壁の薄さによって水に乱流が生じ、より多くのエネルギーが熱として放出される。

チームの構想では、ユニットは約1000個の小さなサンゴ群体で補強される。ジョーンズらは、直径約50センチのコンクリートモジュールで構造物を覆う計画だ。これらのモジュールには溝や割れ目があり、サンゴの幼生にとって最適な隠れ家となる。チームはまず、実験室で飼育されたサンゴを移植する。さらに、光や音といった誘引物を使って野生のサンゴの幼生を誘引する実験も行っている。ペンタゴンではなく、自然が管理する壁を構築するためのものだ。

マイアミ大学の科学者が率いるReefenseの3つ目のチームは、異なる種類のサンゴからインスピレーションを得ています。そのデザインは3層構造です。基礎部分は大きな穴が開けられた長い六角形の丸太でできており、その上に小さな穴が開いた高密度の層が重なっています。「コンクリートでできたスポンジを想像してみてください」と、マイアミ大学のCoral Reef Futures Labの所長であり、Reefenseチームリーダーでもあるアンドリュー・ベイカー氏は言います。

研究チームは、これらの人工部品が波のエネルギーを十分に吸収すると考えているが、その役割を終えるのは、その頂上にあるエルクホーンサンゴの隆起だ。フロリダ、バハマ、カリブ海に生息するエルクホーンは、波の激しい浅瀬に密集したサンゴ礁を形成するのを好む。餌を捕獲するのに役立つため、水に叩かれても気にしない。この叩きつけによって、波のエネルギーが岸に届くのを防ぐのだ。

フロリダ州のエルクホーンはここ数十年、病気によって壊滅的な被害を受けており、今や海洋熱波がさらなる被害をもたらしている。しかし、この危機的な状況は、政策立案者たちをフロリダ州を象徴するこの種を救うための選択肢へと駆り立てた。その中には、病気、高温、そして荒波にさらに強いエルクホーンを開発するというベイカー氏の取り組みも含まれる。ベイカー氏によると、リーフセンス・プロジェクトでは、彼の研究室は先祖よりも1.5～2℃耐熱性の高いエルクホーンを開発したという。また、健全なサンゴ礁にとって存在意義を持つ共生藻類の耐熱閾値を高め、サンゴ礁が不思議なことに灼熱の海水に耐えてきたホンジュラス産のエルクホーンと交配させたと主張している。

しかし、予期せぬ許可問題により、マイアミチームは2025年にリーフセンスプロジェクトから撤退せざるを得なくなり、フロリダ海軍基地近くに配備を予定していた試験ユニットの建設は実現しない。連邦許可当局は、必要に応じて構造物を撤去するための資金確保を求めていたが、ベイカー氏によると、DARPAはそれをタイムリーに行うのは不可能だと判断したという。（DARPAはWIREDに対し、リーフセンスプロジェクトにはそれぞれ独自の許可取得上の課題があるため、マイアミチームの運命が必ずしもより広範な問題に繋がるわけではないと述べている。他の2つのリーフセンスプロジェクトの担当者は、ベイカー氏の問題は彼らには発生していないと述べた。）

ベイカー氏によると、リーフセンス社とのチームの共同研究は予定より早く終了する見込みだが、その革新技術が他の分野でも活用されると確信しているという。彼はマイアミ近郊のキービスケーンという島の村と共同研究を行っており、その海岸線は嵐によって荒廃している。村の最高レジリエンス・サステナビリティ責任者であるローランド・サミミー氏によると、急速に後退する海岸線を埋めるため、村は数年ごとに数百万ドルもの費用をかけて砂を輸入しているという。彼は、マイアミ大学の設計のようなハイブリッド構造が、はるかに低コストで砂浜を保護できるかどうか、非常に興味を持っている。「人工構造物は自然ほど耐久性がないことに、人々は気づき始めています」と彼は言う。

これらの分野で実験を行っているのは、決してDARPAだけではない。世界中で、耐熱性を高めるためのサンゴの育成、サンゴとカキを人工魚礁に組み合わせること、あるいは環境への負荷を軽減する低炭素コンクリートの開発など、様々な課題に取り組んでいる。バージニア海洋科学研究所のビルコビッチ氏は、リーフセンスが既存の方法よりも優れた方法を実証し、それを裏付けるデータがあれば、成功となるだろうと述べている。「彼らの研究結果がどうなるか楽しみです」と彼女は言う。「彼らはプロジェクトの有効性を体系的に評価しています。得られた教訓は他の分野にも応用でき、もしその技術が効果的でうまく機能すれば、他の地域にも容易に応用できるでしょう。」

DARPAにとって、Reefenseの試作機は実戦投入が始まったばかりですが、作業は始まったばかりです。これらの第一世代機はすべて、研究チームと独立政府監査機関の両方によって精査され、実世界での性能がモデルと一致するかどうかが検証されます。Reefenseは2027年に国防総省に最終報告書を提出する予定です。厳密に言えば「勝者」はいません。国防総省は世界中に基地を持っているため、これら3つのプロジェクトはいずれも、他の地域にも役立つ知見を生み出す可能性が高いでしょう。

顧客であるリーフェンセ社は世界最大の軍事予算を保有しているにもかかわらず、3つのチームは経済性に細心の注意を払うよう求められている。国防高等研究計画局（DARPA）は、プロジェクト費用が従来の解決策を「大幅に上回らない」よう求め、政府の監視員にチームの計算を検証するよう指示した。DARPAでリーフェンセ社のプログラムマネージャーを務めるキャサリン・キャンベル氏は、費用対効果の高さは国防総省によるこの技術導入の可能性を高めるだけでなく、民間企業にも導入できると述べている。

「これは軍向けに特注したものではありません。民間部門におけるコスト基準と整合させる必要があります」とキャンベル氏は電子メールで述べた。「だからこそ、商業化の可能性が生まれるのです。」