2012年1月号
今月号のNewtonもなかなか面白かったです。サイエンスをこれだけわかりやすく、かつ時代のニーズに合わせて書いている雑誌は、世界的に見ても少ないと思います。本当に素晴らしい雑誌だといつも感心してしまいます。
今回も家で書いています。家で書くときは、子供が寝ている時なので、朝か夜になってしまうんですよ。ただし、子供は昼寝をすると宵っ張りになってしまうので、この文を書くための安全時間帯は朝ですかね。自由時間を削られる。これが子供を持つ親の常識ですよね。とはいえ、子供に手がかかるのは一時期だけなのですが。子育て、仕事、趣味。すべてがバランスよくできて、本当の大人になれるんだといつも思います。歳を重ねるごとに、やれることの範囲がどんどん広がっている気がします。当然努力した結果ですし、しんどいことが多いのも事実ですが。「今日が人生最後の日」と毎日思って精一杯やれば、充実した人生が送れるとスティーブジョブズが言っていましたけど、私はこの文をみる前から実践していた事です。色々な人が色々な価値観で精一杯いきているんだなぁ、と日々感じております。
一方で、先日子供を３人乗り自転車で公園に連れて行った帰り、パン屋で買い物をした５分間ほど見えるところに子供を自転車に残したままにしていました。買い物中も常に見ながら、５分後に帰ろうと思って自転車に戻った時、見知らぬおばちゃんから「ちゃんと子供を連れて行った方がいいですよ。何があるかわからないから。」と言われました。最初は「そんなこといっても..」と自分に言い訳をしていましたが、すぐに「あの人のいっていた事は正しい。自分は親としての自覚がたらなかった。」と自省の念にかられております。まだまだ未熟ですね。
よくわからない脱線をしてしまい申し訳ありません。では、本題に！
１．大昔の耐性菌
最近も似たような記事の感想を書いた気がしますが、菌が抗生物質などに対して耐性を持つという話があるのはご存知かと思います。ただ、この耐性は新たに生まれたものなのか、昔からあるものなのかはよくわかっていなかったそうです。これを明らかにするため、３万年前の永久凍土層から得た最近のＤＮＡを解析したところ、なんとこの時代の細菌が、既にある抗生物質の耐性である遺伝子を有することが分かったとのことです。よって、新たに生まれたというだけではなく、昔から耐性の遺伝子を持っているものは存在し、抗生物質の使用によって耐性菌が増えた、という解釈ができる、というところで記事は終わっています。もちろん変異によって耐性がうまれる可能性があると考えるのが妥当だとは思いますが。
２．恐竜絶滅の真犯人は
6500万年前に巨大隕石が地球に衝突し、大部分の生物が絶滅した、というのは有名な話です。これまで、この絶滅のきっかけとなった巨大隕石は、火星と木星の間にある小惑星集団「バスティスティーナ族」と呼ばれるものから来たとされていました。しかし近年、対象物の大きさの差による反射率の差異も判別できる広域赤外線探査衛星（ＷＩＳE）を用いて破片の大きさを正確に求めたところ、バスティスティーナ族は８０００万年前にできたことがわかった。８０００万年前にできて６５００万年前に地球に到達するのは困難であるため、恐竜絶滅のきっかけとなった隕石は別の所から来た可能性が高いそうです。
３．脂肪細胞が髪を伸ばす
髪の毛は複数の種類の細胞に変化できる「毛包幹細胞」の働きにより作られます。この幹細胞が、脂肪前駆細胞「ＰＤＧF」というものによって活性化されることが分かったとのことです。これにより脂肪前駆細胞を用いることで、毛髪の成長を促進できる可能性がある、とのことです。発毛にも効果があれば、薄毛治療の対策にも脂肪前駆細胞が適用されるかもしれませんね。
４．脳卒中を起こす虫歯菌
脳卒中の原因として、高血圧や糖尿病は知られています。しかしこれは原因の一部でしかなく、多くの発症原因はまだ分かっていないそうです。大阪大学の博士が「コラーゲン結合タンパク質（ＣＢＰ）」というたんぱく質を作る虫歯菌の感染有無と脳卒中のリスクの相関を発見したそうです。健康な人ではおよそ８％。しかし、脳卒中感謝の２７％がこの虫歯菌に感染していたそうです。これは、マウスを用いた実験でも裏付けがされており、出血部分にＣＢＰが蓄積して、欠陥の修復を妨げており、これが脳出血悪化の原因と考えられているそうです。この虫歯菌の感染を防げれば、脳卒中の発生や再発防止にやくだつ、と考えられているとのことです。口内環境が健康に大きな影響をあたえるというのは、最近よく聞く話です。もともと殺菌作用が高い唾液に満たされているところだからこそ、菌の感染から守る必要があるのですね。
５．ＡＬＭＡ望遠鏡ついに始動
「アタカマ大型ミリ波サブミリ波干渉計」、通称ＡＬＭAが観測を開始した、と見開き２ページで大きく書かれています。これは、６６台のアンテナを使って「ミリ波」と「サブミリ波」の電波を観測する電波望遠鏡です。現段階では６６台のうち２３台しか設置されていませんが、構想から３０年を経て観測を開始したことに天文学者や関連する専門家たちは大きな期待を寄せているそうです。では、ＡＬＭＡは何がすごいのか。
その本題に行く前に、そもそもミリ波ってなんでしょうか？それをとらえることの重要性とは？
「サブミリ波」は波長が0.1〜1mm、「ミリ波」は1〜10mm。このうちサブミリ波は大気中の水蒸気により吸収されやすいため、地上での観測は難しい。ＡＬＭAが建設されたチリのアタカマ砂漠は空気が薄く乾燥しているため、サブミリ波の測定に絶好の場所なのだそうです。そして、サブミリ波は恒星や惑星の材料となる「ちり」や「ガス」などの「星間物質」から放出されるため、サブミリ波をとらえることが惑星系や銀河が生まれて成長する過程、生命の材料となる物質が合成されていく過程などを知るためには、サブミリ波をとらえることが極めて重要とのこと。
そして本題。ＡＬＭＡの最もすごいところ。それはズバリ、ずば抜けた感度と解像度です。ＡＬＭＡは複数のアンテナを広範囲に設置することで解像度を高める、干渉計の構成をもっています。最終的には６６台になるアンテナが２３台しかない現段階で、すでに稼働している最高レベルの解像度を有するハッブル宇宙望遠鏡と、感度と解像度で同等レベルにきているそうです。実際にある銀河をＡＬＭAで観測したところ、可視光では暗闇にしか見えない領域に、高濃度のガスの雲が存在していることが確認できたそうです。
光速を越える素粒子や、ヒッグス粒子が発見か、という物理学上の大発見が続いた2011年。2012年に稼働するＡＬＭＡによって、今度は天文学でも大きな発見がでるかもしれません。今年は本当に科学的には大きな年でしたね。
６．食虫植物をまねた「超すべる」素材
さまざまな液体をはじく素材は、医療用器具、燃料輸送パイプ、汚れない建材、など用途が広い。このたび食虫植物のウツボカズラにヒントを得た表面処理手法が提案されたとのことです。
ウツボカズラは消火液の入ったつぼ状の落とし穴をもつ。つぼの内壁には水を保持する微細な溝があり、表面で滑らかな水の膜が形成されている。この水の膜に足の油がはじかれ、昆虫がすべるのだそうです。この内壁構造を参考に、線維でできたナノサイズの空洞を持つスポンジ状の基盤に油も水もはじく潤滑液を保持させ、表面で潤滑液の膜を形成する、という構造が提案されました。SLIPS（slippery liquid-infused porous surface）と呼ばれるこの構造では、潤滑液を固定する基盤構造に厳密な規則性は不要で、安く多様な形状のものが量産できるといわれています。ＳＬＩＰＳは、油、水、血液、炭化水素など、あらゆる液体がよく滑り、跡も残らないとのこと。さらに680気圧でも使用可能で、撥液性能は失われません。さらにナイフで傷つけても10数秒で修復するとのこと。高温環境や、撥液処理面に平行な力の生じるところではまだ使用できないそうです。今後の改善に期待です。
７．知っておくべき電力とエネルギー
震災以降、特に騒がれているテーマの一つですね。今月号のNewtonでは今ホットなこの話題に関して、読者モニターと一緒に特集を組んだとのことです。とてもわかりやすく現状を説明しており、さらに悲観することばかりではない将来に関し、有効な選択肢をみんなで考えましょう、という流れになっています。新聞やテレビででてこない、客観的な科学的視点からの本テーマへのアプローチの概要を説明します。抜粋になってしまうのをお許しください。初めに電力の基礎を書かせていただき、その後日本の発電事情を説明します。そして、最後に将来の発電というものについて述べていきます。長くなってしまってすいません。ただ、とても大切なことなので可能な限り内容を漏らさず書いてみました。
まずは、基礎的なところについて。
電気の本当の基本的なところは、割愛するとして、そもそも「なぜ？」と思う所から。家庭や企業に送られる電気はすべて交流です。関東は60Hzですよね。この理由、即答できます？
答えは、変圧しやすいから。では、なぜ変圧しなくてはいけないかというと、発電所から送られる初期の段階では27.5〜50万ボルトという高電圧だから。では、なぜ高電圧で送りだしているのでしょう？
答えは、送電時のロスを少なくするため。送電の際、もっともロスになるのは、熱に変化する分です。この、送電時の熱は電流が高いほど大きくなります。電力と電圧、電流の関係を思い出してください。W=VI。電圧Ｖと電流Ｉは反比例の関係です。このＩが発熱の原因になるため、Ｖをできるだけ初めは高くして送るのです。では、家庭に来るときの電圧は大体100Ｖ（企業などは一部200Ｖもありますが）。なんで下げているのでしょうか。
これは、みなさんわかったと思いますが、感電のリスクを低くするためですね。電圧が高いと、抵抗が大きいところにも電流を流す力が強いことになり、当然感電しやすい。高圧電線は高いところを通っているのはそのためですよね。それと、雷なんて高電圧のいい例ですよね？抵抗が非常に高い空気中を通電させちゃうわけで。ちなみに雷の電圧は1〜10「億」Ｖだそうです。桁違いですね。
話はそれてしまいましたが、送電の理想という観点では、高い電圧で使用する付近まで送り、最終的に使用するところのすぐ近くで変圧して送る、というやり方です。色々なところに変電所があるのをはじめ、電柱に変圧器が付いているのもよくご存じでしょうし、最初の方に聞いた「交流をつかうわけ」もここでつながります。この送電の原則も知っておいて損はないでしょう。
もうひとつ、電気で知っておかなければならないこと。それは、電流は必ず熱として失われ、ためることができない、という原理原則です。
電池を使えば電気はためられる、と思う方もいますが、電池は電力を化学的な変化に由来するエネルギーとしてためているだけで、電力をためているわけではありません。さらに、送電に使用する金属では、自由電子によって電気を送っていますが、金属原子そのものの振動による抵抗により、自由電子の移動が妨げられます。このような「抵抗」により、送電の際必ず熱としてロスが生じてしまうのです。超伝導を使えば別の議論になりますが、値段的に現実的ではないので、ここでは議論の対象外にします。低コストで超伝導が実現できる材料があれば、画期的な発明となるでしょう。
ここで、もうひとつ階段を上がって電力の供給源についてみていきたいと思います。まずは、電力の供給源に求められる条件について。
電力と言うのは刻々と需要量が変化します。当然夜中より人が活動する昼間の方が消費量は多いです。よく発電量と需要量が近いため、「節電にご協力を」というのは震災前から常に言われていましたね。これは大前提として電力の需要と供給は「合わせなくてはならない」という原則があるためです。これはなぜだかご存知でしょうか？
大量に発電しておけば、需要量を大きく上回ったとしても無駄になるだけで、この無駄に目をつむればいいと考える方もいたかと思います。ただし、実際は発電量が消費量を上回り電力が余ったとすると、その大元である発電機の周波数をあげようとする力がはたらき、逆では周波数を下げようとする力が生じてしまいます。このため、需要と供給がずれると、交流の周波数が狂い、電気で動く様々なものに対し悪影響を与えてしまいます。多くの電気で動く設備の周波数ずれの許容量はどれくらいだと思いますか？
わずか0.2〜0.3ヘルツ。さらに、周波数のずれが数パーセントになると、発電機そのものが故障する可能性さえあるのです。
電力の需要と供給をほぼぴったりに合わせる。電力会社では周波数変化をみて需要の変化を推測し、それに合わせて発電量を調整するという作業を行っているのです。思う以上に大変な作業らしいです。
具体的には、発電量の微調整が難しい、流れ込み式の水力発電、原子力発電はベースラインの分を発電し、需要の変化に対しては、貯水式・揚水式などの水力と、大部分は火力発電の発電量を変化させることで調整を行っています。次にそれぞれの発電方法が発電量に占める割合と、コスト、資源の安定性、安全性、環境負荷などを見ていきます。
発電量に占める割合ですが、火力が59.3%（石油8.3％、石炭23.8％、天然ガス27.2％）、原子力が30.8％、水力が7.8％。つまり、この３つの発電力で実に全体発電量の98％を担っています。
コストはそれぞれ1 KW当たり、火力が5.0〜17.3円、原子力が4.8〜6.2円（もちろん、福島第一原子力発電の事故により変化する可能性はあります）、水力が8.2〜13.3円。
資源の安定性については、火力のうち石油は数十年、天然ガス60年以上、非従来型は40年以上、石炭は数百年分。原子力のうちウランは100年（ADS（Accelerator Driven transmutation Systemを適用すれば、マイナーアクチノイドの崩壊により資源量は伸びると想像します；本ブログの１０月号感想文参照）、水力は基本気候の大幅変動が無い限り、資源の枯渇のリスクは低い。
安全性に関しては、火力は「大きな問題なし」、原子力は「安全神話崩壊….」、水力は「大きな問題なし」。
環境への負荷、火力「二酸化炭素排出」、原子力「放射性廃棄物」、水力「ダム建設による森林環境などの水没」。
こんな感じでしょうか。そして、先ほどの需要と供給のところででた、発電量の調整に関しては、火力のみが「調整可能」、原子力は「一定出力」、水力は「基本安定、渇水時には不足」という感じです。このことから、原子力が主土台にあり、もうひとつの土台が水力、需要調整分を火力でまかなっている、という実情が浮かび上がってくるのではないでしょうか。このように、火力、原子力、水力、それぞれ安全性、資源安定性、コスト、発電安定性などの特性が異なることが想像できます。
大分長くなってしまいましたが、ここまでが電力の基礎と現状理解の部分になります。ここから、いよいよ今後の発電について述べていきたいと思います。以後、これからの発電エネルギーとなるもの、なる可能性のあるものについて述べていきます。
1. シェールガス
近年枯渇が懸念されていた天然ガス採掘可能量が激増しているそうです。これは、シェールガスというものが最近になって採掘できるようになったことに由来します。これまでシェールにあったガスを採掘する技術が無かったのですが、高圧の水を当てることで亀裂を起こさせ、そこから出てくるシェールガスを採掘することが可能になりました。確認されているだけでもシェールガスは世界需要の40年分あるそうです。
2. メタンハイドレート
日本近海の深海底にあるメタンと水からなる氷状態の固体です。資源量の全体像はまだ分かっていませんが、すでに調査が完了した愛知県から三重県沖合だけでも、日本で使用される天然ガス需要７年分相当の量があるとのことです。
3. バイオ燃料
生活排水や産業排水中に含まれる有機物や無機物から油を生産する研究が進められています。有機物から油を生成するオーランチキトリウム、無機物から油を生成するボトリオコッカスを用いることで油を製造するプロセスが検討されています。コストが原油の10倍とまだまだ高いですが、排水浄化の観点からも有力な手法になるポテンシャルはもっているのでしょう。
4. 太陽光発電
これは有名なのであまり説明はいらないでしょう。王道のシリコーン系以外にも、化学系、色素増感系など色々ありますね。コストも下がるといわれていますが、天気などによって変動してしまうのが最大の弱点です。
5. 洋上風力発電
陸上に風車を置いた場合、低周波騒音などの問題が生じてしまいます。それに引き換え海の上には広いスペースがあります。軸の底部を重くして、いかりで安定させた浮体式風車が注目されています。これは海と接している面積が多く、風にも恵まれている日本にうってつけになりそうなのですが、浮体式風車はまだコストが高いのが難点です。また、漁業との協調も必要です。近海が浅いヨーロッパなどは、着床式風車が設置できるため、風力ではそれらの国が先行しているのが実情です。計算上では風力発電だけで日本の電力をすべてまかなえることができます。浮体式風車の開発がキーになりますね。
6. 地熱発電
純国産かつ非常に安定性の高いエネルギー源です。さらに非常にコストが低く、地下に人為的に水を送り込んで、熱水となった水を地下から取り出す「高温岩体発電」も技術的に可能となっており、非常に有力な選択肢と考えられています。温泉水の枯渇につながる、過剰に地下水をくみ上げると上記不足になるなどの懸念があります。現段階ではほとんど行われていないため、今後、発電量を上げていく「伸びしろ」をもっています。
7. 波力発電
領海と排他的経済水域の合計が世界第６位の日本が得意とする発電形式です。コストが高いというのが最大の弱点で、波の状況による変動も避けられません。ただし、日本の海岸線に打ち寄せる波のエネルギー合計は3600万キロワットで、原子力発電所30基分の資源量があります。
8. その他の発電形式
「海流発電」、「海洋温度差発電」、「中小水力発電」、「太陽熱発電」などもあります。詳細な説明は割愛しますが、それぞれメリットとデメリットを持っています。
最後に、これら自然エネルギーの選択肢を用いて、目指すべき電力確保のためのビジョンについてまとめ、この長い話をまとめたいと思います。
既に紹介したい自然エネルギーを中心とした発電方式。その多くにおいて発電量が安定しないという弱点があります。これに関しては、蓄電池を用いて不安定な電力供給力を補います。
自然エネルギーを導入する際、もうひとつ問題とされるものがあります。それは、発電量が急激に変化した時に、その影響が電力網でつながった他の地域にも次々と拡大していき、影響が非常に広範囲に及ぶリスクがあるということです。この対策として、電力網を細分化し、それぞれ細分化されたセル（電力系統）どうしが電力の融通をしあえるシステムを構築できれば、電力供給は大きく安定することになります。電力が余っているところから、足りないところへ電力を融通する、などがこれに当たります。このような考え方を「デジタルグリッド」と呼んでいます。
蓄電池とデジタルグリッド。この２つのキーワードによって、自然エネルギーが電力源の選択肢として大きく前進します。将来の電力安定は、これらの知識をみんなが身につけ、コスト、資源量、安定性、環境問題、安全性を一人一人が冷静に考えれば、明るい未来へとつながる。このように書かれて特集は終わっています。
今年は電力に関しては色々考えることが多かったと思います。悲観するばかりではなく、今ある選択肢があることを理解し、それを実現するために必要なことを考えることが最も大切なのですね。
もう少し書こうと思っていましたが、子供の妨害工作が激しさを増したので、このあたりまでにしておきます（笑）。
では良いお年を！
州
