2014 年末にかけて、気候変動に関する政府間パネル (IPCC) は、800 人を超える科学者によって作成された最新の報告書を発表しました。気候変動の影響は、環境と私たちの両方に広範囲に及びます。人間の活動に関連する変化には、極端な気温の上昇、海面の上昇、大雨などがあります。
IPCC によると、気候変動を放置しておくと、21 世紀の終わりまでに地球温暖化が元に戻せなくなる可能性があります。
しかし、まだ希望があります。 IPCC は、排出量を削減し、環境に配慮した技術、エネルギー供給、インフラストラクチャに投資することで、この問題に取り組むことができると述べています。これは、まさにそれを可能にするアイデアとテクノロジーに関するフォーカス誌独自のガイドです。このまま読み進めて、地球を救う方法を見つけてください。
海に太陽光発電所を設置
太陽光線によって私たちに提供される手ごわいクリーン エネルギー資源を最大限に活用するために、より冒険的な場所にソーラー ファームを配置する動きが最近あります。
2014 年 9 月、ロックフェラーの財産の相続人が、化石燃料への投資を売却すると発表したほどの太陽光発電の魅力です。彼らは、クリーン技術、特に太陽光発電に再投資したいと考えています。家族がアメリカの石油産業で財を成したことを考えると、これは興味深い出発です。
ソーラー パネルは屋根の上に設置され、その後畑に移されましたが、現在、開発者は水上に設置する実験を行っています。 2014 年 9 月、英国初のフローティング ソーラー アレイが、バークシャーの農場にある貯水池に建設されました。 200kW のソーラー パネル システムは、農場のエネルギー料金を削減するだけでなく、炭素排出量も削減します。
英国では、水上太陽光発電が魅力的です。なぜなら、それを導入することで、貴重な農業用不動産を浪費するという陸上プロジェクトに向けられた批判を回避できるからです。水上太陽光発電が提供する機会は、土地の利用可能性が非常に高い国では特に魅力的です。実際、昨年、日本の電子機器メーカーである京セラは、世界最大の水上太陽光発電所を建設する計画を発表しました。設置には、日本の加東市の 2 つの湖に 11,000 枚の PV パネルが含まれます。サイトは 2.9MW の電力を生成できます。これは、約 1,000 世帯の要件を満たすのに十分です。
空に風力発電所を建設
風力エネルギーが離陸しています。陸上風力発電所は今や一般的な光景ですが、多くの新しい洋上サイトが計画段階にあります。たとえば、計画の承認待ちのドッガー バンク オフショア ウィンド ファームの案を考えてみましょう。このサイトは、最も近い地点で海岸から 125 km (78 マイル) の距離にあり、完成時には 7.2 GW の容量になります。これを文脈に入れると、その容量は、英国のすべての陸上風力発電所を合わせた設備容量を上回ります.
陸と海が征服された今、米国の科学者とエンジニアは空への取り組みを模索しています。マサチューセッツ工科大学からのスピンアウトである Altaeros Energies は現在、地表から数百メートル上空にある強力で安定した風からエネルギーを生成する装置を開発しています。
同社は、そのコンセプトである浮力空中タービン (BAT) が世界初の商用空中風力タービンになることを望んでいます。この装置には、3 枚ブレードの水平軸風力タービン (陸上および洋上タービンで見られる従来の構成) が組み込まれており、膨張可能なシェル内に保持されています。ヘリウムを充填すると空中に浮かび、テザーで最大 600 m (2,000 フィート) の高さまで固定されます。
この高度では、風力発電密度は陸上風力タービンの典型的な高さである 120 メートルの場合の 3 倍になります。 BAT は、デバイスの方向と高度を調整してエネルギー出力を最大化する自律制御システムを備えています。生成された電力は、テザー内の接続によって地上局に転送されます。ここから、グリッドに導入したり、現場の機器に電力を供給するために使用したりできます。
当初、同社は 30kW システムの開発を計画しており、100 および 200kW のデバイスにスケールアップする計画です。したがって、10 個の 200kW BAT のアレイは、典型的な陸上風力タービンと同様の容量を持ちます。約 600 m の高さで、誰の景色も遮ることはありません。
高高度の風のゲームに参加しているのはアルタロスだけではありません。さまざまな独創的な技術を持つさまざまな競技者も、自分たちのコンセプトを実現しようとしています。
2013 年 5 月に Google に買収された Makani は、従来のタービンでは到達できない高度で風力資源を活用するために、「エネルギー カイト」を開発しています。凧は、空に巨大なループを作る、つながれたエアロフォイルです。風が凧を横切ると、取り付けられた 4 つのタービンが回転します。一方、オランダに本拠を置く Ampyx Power は、地上局に固定しているテザーが伸びると発電する自動操縦グライダーを開発しています。
超大型バッテリー
将来のエネルギー ネットワークには、現在よりも多くの再生可能エネルギー源からのエネルギーが含まれます。しかし、再生可能エネルギー資源は断続的です。タービンは風が吹いているときにしか発電できず、太陽光発電パネルは太陽が輝いているときにしか発電できません。この断続性は、エネルギー貯蔵が安全なエネルギーの未来を確保するための重要な側面であることを意味します.
世界中の大学の研究室では、科学者がより大容量で高電力密度のより効率的なバッテリーの開発に取り組んでいます。ただし、バッテリーだけがエネルギー貯蔵ソリューションではありません。英国の企業 Isentropic は、革新的なポンプ式熱エネルギー貯蔵 (PHES) システムを開発しました。
PHES システムは、エンジンとヒート ポンプの両方として動作します。基本的に、電気エネルギーは熱い岩石と冷たい岩石の温度差として蓄えられます。 「バッテリー」を充電する必要がある場合、予備のエネルギーを使用して、500°C に達するまでアルゴンガスを圧縮できます。この熱いガスは、岩石を加熱するために使用され、エネルギーを伝達して一時的に貯蔵します。ガスは、大気圧 (1 バール) と -160°C の温度で岩から出てきます。
岩に蓄えられたエネルギーを解放するために、プロセスは逆になります。アルゴンガスは反対方向に流れます。これにより、ガスが加熱され、機械エンジンを介して電気を生成するために使用できるようになります。
同社は現在、企業向けに小規模 (最大 1.5MW) および中規模 (最大 50MW) の PHES システムを展開していますが、電力網向けの大規模 (100MW+) システムの開発を計画しています。
炭素を価値あるものにする
従来の炭素排出形態のエネルギー生成からの排出を「クリーン」にして、廃棄された二酸化炭素が実際に大気に到達しないようにすることは可能ですか? Carbon Capture and Storage (CCS) は、まさにそれを目指しています。運用中または開発中のさまざまな再生可能エネルギー技術にもかかわらず、化石燃料の燃焼など、一部の炭素排出形態のエネルギー生成は、間違いなく私たちのエネルギー ミックスの一部であり続けるでしょう。
炭素回収貯留 (CCS) により CO2 を除去 発電所や工場などの発電所で。この業界は、2000 年に最初の商用 CCS のデモンストレーションが行われてからしばらくの間存在しています。それにもかかわらず、関連する技術はますます洗練されてきています。
CCS システムには、二酸化炭素を発生源で回収し、パイプラインを介して輸送し、隔離 (安全な貯蔵) する一連の一連の技術が連鎖して関係しています。回収効率を改善し、排出量からより高い割合の二酸化炭素を排除する取り組みが進行中です。
米国のコロンビア大学の研究者であるピーター・アイゼンバーガー教授は、さらに一歩進んで、大気中の二酸化炭素を吸い出すことができる機械を作りたいと考えています。彼の会社であるグローバル サーモスタットは、シリコン バレーにエア キャプチャ マシンのデモンストレーターを設置しました。長方形のタワー内のファンは、「コントラクター」と呼ばれる表面に空気を取り込みます。各請負業者は、CO2 を除去するアミン吸着剤と呼ばれる捕捉剤を含む 640 個のキューブで構成されています
主な障害は、よくあることですが、お金です。 CCS システムには莫大な設備投資が必要なため、発電所の所有者にとって必ずしも魅力的ではありません。英国のクラウン エステートで CCS のプログラム マネージャーを務めるウォード ゴールドソープ博士は、次のように述べています。 「しかし、本当の問題は財政的な課題です。現在、社会は炭素汚染のコストに現実的な価格を設定していないため、二酸化炭素を処分する市場はありません。」
たとえば、企業が炭素 1 トンあたり 50 ポンドを提供されるようなスキームを政府が導入した場合、企業は CO2 の抽出を奨励される可能性があります。 環境から。
海を肥やす
ジオエンジニアリングでは、大気から二酸化炭素を除去したり、太陽放射を管理したりすることで、地球温暖化を軽減する方法について説明しています。温室効果ガス排出量の削減を重視しないことは論争を引き起こしましたが、一部の研究者は、アプローチを無視するには遅すぎると述べています.
1988 年、海洋学者の故ジョン・マーティンは、「半分のタンカーの鉄をくれれば、また氷河期を迎えてやる」と言った。彼は、海に投棄された大量の鉄が肥料として作用し、プランクトンの成長を増加させると述べた.光合成中、プランクトンは CO2 を吸収します。 大気中 – プランクトンが増えると CO2 が増える 吸収され、地球温暖化を遅らせます。彼のアイデアは、研究努力をもたらすのに十分な嵐を巻き起こしました.
「科学界は、効果的な炭素隔離オプションとして鉄施肥を評価するのに十分な研究をまだ行っていません」と、カリフォルニア州立大学モス ランディング海洋研究所のケネス コール博士は述べています。 「炭素がプランクトンによって長期間拘束されるかどうかは、未解決の問題の 1 つです。」 Coale は、CO2 のより広範な戦略の一部である必要があると断言しています。 削減と除去。 「この傾向を逆転させるには、CO2 を削減する必要があります。 排出量と地質隔離を含むさまざまな緩和策。効果があれば、鉄分施肥はより大きな地球工学ポートフォリオの一部になる可能性があります」と彼は結論付けています。
雨をコントロール
干ばつは、地球のさらに広い地域に影響を与えています。現在、アラブ世界のほとんどは、国連が定義する「極度の水不足」に分類されています。北アフリカと中東も急速な人口増加に直面しています。たとえば、イエメンの人口は 2050 年までに 2 倍以上になると予想されており、大規模な水戦争が実際に起こる可能性があります。
救済をもたらす可能性のあるテクノロジーは、クラウドシードです。雨滴を形成するための小さな核として作用するヨウ化銀粒子の使用は、1946 年に General Electric で Bernard Vonnegut によって開発されました。彼の兄弟であるカート・ヴォネガットは、後にこの発明を、地球上のすべての水を瞬時に凍らせることができる物質であるアイスナインとして架空のものにしました.
凍結効果を生み出すどころか、ヨウ化銀は、塩やプロパンなどの他の物質とともに、降雨量を増加させると言われています.キプロスのエネルギー、環境、水研究センターの Zev Levin 教授によると、飛行機からの雲の種まきは、1 立方メートルあたり約 50 から 60 セントの淡水化よりも大幅に節約できます。 「それが機能することを証明できれば、立方メートルあたり 3 セントという最も安価なソリューションです。また、高価な灌漑システムが不要になります。不利な点は、いつでもどこでも機能することが保証されていないことです」と、雲と降水量の専門家は言います.
60 年にわたる調査にもかかわらず、クラウド シーディングについてはまだ結論が出ていません。科学にはデータが必要であり、同じ気象システム内のシードされていない雲との比較は非常に難しいことで知られています。コロラド州の国立大気研究センター (NCAR) によると、現在 37 か国で 150 以上の気象修正プログラムが実施されています。 NCAR の科学者は、クラウド シーディングが実現可能かどうかを広範な統計分析によって証明できることを期待しています。
戦争を防げるかもしれません。開発、環境、および安全保障に関する太平洋研究所は、中東および北アフリカ (MENA) 地域の水をめぐる 100 以上の紛争状況を記録しています。 2004 年から 2006 年にかけて、ソマリアとエチオピアでは、井戸や牧畜地をめぐる衝突で 250 人以上が死亡しました。また、干ばつに見舞われた場合、国はクラウド シードを「自国の」水を盗むものと認識する可能性があります。私たちが望んでいる万能薬ではないかもしれません。
垂直農業
現在、世界保健機関は、世界の人口の半分が都市に住んでいると推定しています。 2050 年までに、これは 80% に増加します。 2050 年までに、世界の人口は 30 億人増加し、地球上のすべての人を養うのに十分な食料を栽培するには、ブラジルのサイズを超える追加のスペースが必要になります。
世界の食料の 4 分の 3 以上が都市部で消費されるとしたら、その一部を都市で生産することは理にかなっているのではないでしょうか?これは、コロンビア大学の科学者であるディクソン・デスポミエ教授が垂直農業のアイデアを開拓するきっかけとなったアイデアです。微生物学と公衆衛生の科学者は、面積の利用に関して、彼のコンセプトは従来の農業よりも 10 倍優れていると考えています。
このテクノロジーの背後にある重要な考え方は、複数の階にわたって食用作物を栽培することです。太陽光や最近改良された LED Grow Lights への回転アクセスがあります。建物は、オフィスや居住スペース、植物の栽培など、2 つの用途に使用されます。 「これには二面性があります。はい、食料を生産し、水を節約する必要があります。しかし、生態系へのダメージの修復も開始する必要があります」とデスポミエ氏は説明します。 「垂直農業では、屋内の 1 エーカーごとに 10 エーカーの屋外を、炭素を吸収するのに必要なものを栽培するために戻すことができます。それが広葉樹の森です。」
多くの仲間の開発者が同意します。Despommier のアイデアは、世界中のさまざまな形で実装されています。最も顕著なのは、東京のパソナ O2 です。この農薬を使用しない都会の農場は一般に公開されており、1 階と 1 階を占めていますが、他の階では人材会社が働いています。
ハリケーンに反撃
過去 2 世紀で、ハリケーンが 190 万人以上の命を奪いました。インフラの破壊や病気の蔓延など、さまざまな問題を引き起こしています。 2005 年のハリケーン カトリーナによる損害は、修復に 1,080 億ドルかかりました。地球の気温が上昇すると、壊滅的な嵐がさらに発生する可能性があります。
典型的なカテゴリー 3 のハリケーンは、核爆弾 10,000 個に相当するエネルギーを生み出すことができます。そのような力に直面して、私たちは本当に彼らを止めることができますか?億万長者の慈善家であるビル・ゲイツと英国の工学教授であるスティーブン・ソルターは最近、海の深さ 100 m まで伸びる巨大なチューブのシステムに関する特許を申請しました。このシステムは異なる温度の水を混合することで、海面を 26.5°C 未満に保ちます。これはハリケーンが発生する臨界レベルです。ゲイツ氏の取り組みは初めてではありません。 2009 年に彼は、ポンプと導管を備えたはしけに依存する同様の技術の特許を取得しました。一部の科学者は、ハリケーンの予測で提供された時間枠内でボートが十分な冷水を汲み上げることができなかったと言って、却下しました.
今回、ゲイツと彼のチームはより楽観的です。ソルター氏は、すべての問題を解決したと確信していますが、より多くの資金が必要だと考えています。 「海面を冷やすことができれば、ハリケーンを鎮めることができます」とソルターは言います。 「これらの建造物は 150 ～ 450 個ほど必要になると思います。それらは漂流し、レーダー信号を送信して、何も衝突しないようにします。」
グリッドをよりスマートに
私たちのエネルギー需要を解決できる単一のテクノロジーはありません。しかし、いくつかは大きな違いを生む可能性があります。 1 つのアイデアは「スマート グリッド」と呼ばれます。送電網は、発電所から家庭に電力を供給するケーブル、変圧器、変電所のネットワークです。スマート グリッドとは、ネットワークにインテリジェンスを組み込んで、エネルギーを最も効率的に使用することです。
気候変動の影響を緩和するために、多くのことができる可能性があります。 Machine-to-Machine Technologies:Unlocking The Potential Of A $1 Trillion Industry というタイトルの米国のレポートは、2013 年に劇的なタイトルの米国機関 Carbon War Room によって発行されました。このレポートでは、スマート グリッドによって、2020 年までに世界の温室効果ガス排出量が 5 分の 1 に削減される可能性があると推定されています。
スマート グリッドは、エネルギー需要のバランスを取ることで機能します。将来的には、PHES (上記参照) などの革新的なエネルギー貯蔵システムだけでなく、さまざまな再生可能エネルギー源も登場します。
たとえば、炭素排出量の削減に役立つ電気自動車を考えてみましょう。車両は充電する必要があり、電力網に負担がかかります。スマート グリッドは、この余分な圧力のバランスを取るのに役立ちます。仕事から帰ってきて、車にプラグを差し込むところを想像してみてください。スマート グリッドでは、車両はすぐには充電を開始しません。代わりに、風力タービンが回転しているがエネルギー需要が少ない真夜中まで待機します。
これをさらに進めると、住宅街や会社の車両に電気自動車を集めれば、有用なエネルギー貯蔵リソースを提供できます。バッテリーは需要の少ない時期に充電できるため、そうでなければ余剰となる発電を利用することができます。ピーク時には、所有者がフィードバックされた電力の支払いを受け取ることで、電力網にエネルギーを戻すことができます。舞台裏では、コンピューターが需要を管理します。
雲を白くする
地球工学のもう 1 つの分野は、太陽放射の管理です。宇宙に鏡を設置するなどの奇抜な提案とは異なり、科学者は海の雲を明るくすることがより実行可能な選択肢であると考えています。
研究者は、雲の反射率の変更の 2 つのバリエーションについて話しています。高い巻雲を薄くしたり「剥がしたり」すると、地球からの赤外線放射が宇宙に逃げることができ、冷却効果が得られます。逆に、低い雲の反射率を高めることで、アイルランドの気象学者ショーン・トゥーメイにちなんで名付けられたトゥーミー効果を利用して気温を下げることもできます。この現象は、より小さな水滴が大気中の蒸気の「白化」につながり、より多くの太陽光が反射されることを説明しています。液滴のサイズを小さくするには、船から海水溶液を噴霧するなどのクラウド シード技術を使用します。
ドイツのハンブルグにあるマックス プランク気象研究所の研究者は、現在このアプローチを評価しています。 Hauke Schmidt 博士は、国際的な Geoengineering Model Intercomparison Project (GeoMIP) の一環として、この手法の見通しを調査しています。 「潜在的な副作用の 1 つは、おそらく何世紀にもわたって技術に専念しなければならないことです。そうしないと、気候変動がすぐに追いつくでしょう」と地球工学の専門家は言います。それにもかかわらず、シュミットは利益がリスクを上回る可能性があると考えており、議論を奨励しています。最も賢明な行動方針は、そのような介入がもたらす可能性のあるリスク、副作用、および肯定的な結果を十分に理解しようとすることです。」
アリスター・ウェルチ と マックス ミューラー テクノロジーとエンジニアリングに特に関心のある科学ジャーナリストです。
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