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     エネルギーと人間社会(2) 
   07.27.2014
             (2)一次エネルギーはなぜ3種類しかないのか



 ヒトがエネルギーを得ようとすると、なんらかの一次エネルギーを使う以外に方法はない。しかも、一次エネルギーは、化石燃料原子力(本当は核力)自然エネルギー3種類しかない。これでも多様な選択肢があるという考え方もありうるが、正直な話、もう1種類ぐらい有れば良いのに、と思わないでもない。

 自然エネルギーは、その根源を探ると、実は多様なので、自然エネルギーを1種類という分類法が奇妙だということは言えるのかもしれない。

 いずれにしても、今回、明らかにしてみたいと思うことは、「なぜ一次エネルギーは3種類しかないのか」である。


元素の起源

C先生:本日の課題は、地球の成立ちを解析することによって、なぜ、一次エネルギーは3種類しかないのか、を語ってみたいと思う。かなり無理筋を含んでいるので、まあそのように思う、という程度の同意が得られるところまで論理を詰めてみる。これが目的。

A君:地球の成立ちを解析するといっても、その前に太陽系、その前に銀河系宇宙、そして、その前に宇宙全体の成立ちを解析しないと、理由が見つかる訳はないですね。

B君:当然、ビッグバンからスタートということになる。

A君:しかし、よく考えてみると、そこまで戻る必要はないかもしれないですね。なぜならば、我々人類が取り扱うことができる安定な存在は元素。実用上、元素がどのようにして出来たかを明らかにすれば、一次エネルギーがなぜ3種類かを議論するには、必要かつ十分です。

B君:人類を中心に考えれば、確かに、その通り。

A君:次の図は、元素の起源を示した周期律表です。
http://en.wikipedia.org/wiki/Nucleosynthesis


図1 元素の起源

B君:元素の起源が6種類に分類されている。1.ビッグバン、2.大型の星、3.超新星、4.宇宙線、5.小さな星、6.人工元素。

A君:1.ビッグバンで出来たものは、12種の素粒子。それが徐々に集合し、水素やヘリウムになった。

B君:2.水素やヘリウムが集まって、星を作った。大型の星ができた場合には、その中心部は超高温高圧で、核融合が始まった。十分な高温高圧下であれば、もっとも安定な鉄Feの原子核に向けて核融合が進み、同時に、鉄より重い元素も多少生成した。勿論、核融合はエネルギー源でもある。

A君:しかし、星のサイズが十分でない場合には、核融合反応の進展には限界があって、小型の星では、イオウまでが出来たと推測されている。これが5.

B君:3.星は、寿命を終えるとき、超新星爆発を起こす。その過程で、鉄までの元素と中性子との衝突が起きて、重元素が合成された。ウラン、ネプチウム、プルトニウムまでの元素ができた。

A君:4.宇宙線が衝突すると”もの”を砕く効果があるらしいです。リチウム、ベリリウム、ホウ素までの元素はそれで生成したと考えられています。宇宙線の実体は高速の水素イオン、ぶつかる相手は星間物質。

B君:6.は人工元素。当初は、原子炉に使われていた材料などを分析して発見されたが、その後、加速器を使って、まさに意図的に作ることが試みられてきた。


原始地球

A君:そろそろ、地球の成立ちに行きますか。このように、多数の元素が合成され、物質が宇宙に大量に存在するようになると、それらが集って塊を作り、それが星になる。地球の場合、それを原始地球と呼びます。

B君:原始地球の周辺には、多数の固形物が存在していて、それを微惑星と呼んでいる。それが地球に次々と落下して、次第に原始地球は大きくなった。その微惑星が衝突するとき、含まれている水や二酸化炭素が原始大気を作った。その組成は、水蒸気、二酸化炭素、窒素などが主成分であった。この原始大気の温室効果によって衝突による発熱が放熱が進まなかったため、原始地球の表面の温度が上昇し、地球は表面が溶けていた。これをマグマオーシャンと呼ぶ

A君:どんでもない状況ですよね。しかも、このマグマオーシャンは次第に内部にまで達して、そこに存在していた物質は、鉄やかんらん岩などだったらしいですが、鉄は溶けると重いので、地球内部に沈んだ。そのとき、そこに存在する軽い岩石のようなものは、浮かんできた。このとき摩擦熱が生じますから、地球内部の温度が上昇した。

B君:マグマオーシャンの深さは、大気中の温室効果ガス、すなわち、水分と二酸化炭素量で決まるということが分かっているらしい。

A君:地球誕生の極々初期の段階で、もう一つ重要なことが起きていますね。それが月の誕生。火星ぐらいの大きさの別の原始惑星が大衝突したとされています。ジャンアントインパクトと呼ばれることです。
 月の組成ですが、原始地球の表面付近から剥ぎ取られたマントル物質と、原始惑星のマントル物質が混じったものだと考えると、地球と月の組成の違い、すなわち、月の中心には大きな金属核がないことが上手く説明できるとのことです。

B君:地球側の変化としては、ジャイアントインパクトで地球全体が再度溶融して、それまでの歴史がリセットされた。これによって、さらなる核とマントルの分離が起きる。

A君:さらに、微惑星の衝突の最後のころには、炭素質コンドライトと呼ばれるものが多数衝突した可能性が高い。コンドライトとは、石質隕石のうち、コンドルールという球粒状構造を持つものらしいですね。熱の影響を比較的受けていないという説明があります。そのため、炭素質コンドライトは、場合によると有機物を含む。

B君:そして、原始地球も徐々に冷えてきて、大気の主成分であった水蒸気は水になって、海ができる。

C先生:当然、太陽は存在していた。そのエネルギー源は核融合だ。月もできた。元素もできていた。この段階で、もしもエネルギーが欲しいとなったら、使えるものは、まずは、太陽エネルギー。しかし、晴れの日は少なかったかもしれない。海と月があるから、潮汐も起きていた。多分、海流もあったのではないだろうか。大気もあったから、風も吹いていた。しかし、大気組成は、今とは全く違って、酸素は無かった。雨も降るようになった。今に比べれば、地球の内部の温度は今よりもかなり高いから、地熱などは格好な利用対象だったかもしれない。
 元素はあるので、原子力も、この時代に技術がもしもあれば、核融合を含めて使うことができた。
 ということは、通常の意味での再生可能エネルギーと原子力は、この時代にすでに準備されていた。しかし、生命は無かった。だから、化石燃料の原料となる植物類は存在しない状態だった。それ以外の要素は、すでにすべて揃っていた。

A君:ということは、この段階で、エネルギー源として利用できるものは何だったか、という検討を行えば、候補が出てくる。

B君:普通に、すなわち、現時点の地球の環境を仮定して考えれば、宇宙線、金属鉄がエネルギー源としては使える。

A君:まず、宇宙線ですか。この時代の地球は、恐らく生命が存在できなかったぐらいの宇宙線ですよね。現時点での宇宙線は、地球の磁場で南極北極に集まりますが、エネルギー源として使うには、余りにも高度が高すぎますね。オーロラの発光はこのお陰かもしれませんが。

B君:このころ、鉄などは金属として存在していた。それをどこかで採取して、酸性の水と反応させることによって、水素が取れそうに思う。

A君:現時点の地球と違って、空気中にまだ酸素は無いので、その水素を燃やして熱を取るということはできない。だから、無意味ですけどね。

B君:金属鉄は、現時点では、地殻に入って、金属核になってしまった。使えない

A君:宇宙線以外にエネルギー源に使えそうなものは無いのだろうか。

B君:炭素コンドライトが大量に入手できたとしても、その炭素を燃やすための空気中の酸素がない時代だった。今なら話は別かもなのだけれど。逆に、空気があるから、今だと途中で燃えてしまうのではないだろうか。


生命とエネルギー源

C先生:現段階での考察はそのぐらいにして、大気中の酸素の源である生命の誕生とその後の話に移ろう。

A君:光合成を最初に行ったのは、シアノバクテリア、別名ランソウ(らん藻)は、少なくとも28億年前に、場合によっては、それよりも早く登場したと考えられています。

B君:らん藻によって最初に作られた酸素は、先ほど出てきた金属鉄を酸化することに使われてしまう。酸化鉄を含む土壌が赤土。

A君:その他に、鉄分は、水の中にも溶けていました。その形態は、2価の鉄でした。色は淡緑色。これが空気中に出てきた酸素と反応して、3価の鉄になる。これが現在の鉄鉱石の主たる成分で、ほぼ3価だけの赤鉄鉱(成分はFe2O3)と2価、3価の混合物である磁鉄鉱(主成分はFe3O4)。

B君:要するに、最初の段階の酸素は、このような酸化反応に使われた。そのため、空気中の酸素濃度が上昇したのは、縞状鉄鉱石が作られなくなった19億年前以降のこと。

A君:酸素は、有機物を燃やすことからも分かるように、生命にとって危険物。しかし、細胞中に核をもっている真核生物は、ある程度の酸素濃度でも生きることができる。真核生物の化石で確実なものは、約21億年前のものが最古。

B君:酸素濃度が上昇すると、大気の上端で紫外線のためにオゾンが発生する。そのオゾンがまた紫外線を吸収する。紫外線は、それこそ生命体にとっては有害。成層圏オゾン層ができたために紫外線強度が下がって、複雑な多細胞生物ができたり、生命が陸上に進出することができるようになった。

A君:その後、大気中の二酸化炭素と酸素濃度は、揺らぎました。特に石炭紀には、酸素濃度が高まった。そのため、この時代には、植物の活動が盛んだったと言えるのだと思います。

B君:それが現在の石炭の起源になっている。その後、大気中の二酸化炭素の量が減ってしまったために、氷河と海氷が発達したとされている。

A君:一方、石油の起源について、石油情報センターによれば、
https://oil-info.ieej.or.jp/whats_sekiyu/1-2.html
現時点では、ほぼ有機説に統一されていて、なかでも「ケロジェン起源説」が有力。すなわち、生物の死骸が海底や湖底に堆積し、化石化してケロジェンという物質になり、それが、地熱と地圧の影響下、長時間を掛けて石油になった。

B君:無機説を未だに主張する人がいる。確かに、全くあり得ないという証明は困難かもしれないが、無機説のように、現時点でも石油は作られているとしても、だから、待っていれば石油がどんどんできるということではない。長期間掛かって、蓄積されたものだという理解は正しいだろう。

A君:天然ガスの話に移りますか。一般には、やはり有機物がバクテリアによって嫌気的に分解されてメタンが発生。これが起源というのがもっとも単純な話。

B君:しかし、水溶性のガスとして貯められていたにしては、量が多すぎるのではないか、という話もあるらしい。メタンハイドレートを考えれば説明可能という説もある。

A君:シェールガス・シェールオイルは、油母頁岩と呼ばれ岩石に含まれているケロジェンを化学的に処理して、液状もしくは、ガス状の炭化水素にすることで生産されます。

B君:現在、米国でしっかりとした資源だと認識されているのが、テキサス州のシェール。ここだと、深度3000〜6400mに分布している。この有機物は、海生藻類を起源とするとされている。

C先生:さて、ここまでで、化石燃料が分かったとしよう。さて、何億年も掛けて貯められた資源。その元は、やはり光合成だ。太陽の光が地下に貯まっていると思えば良い。ケロジェンなどの変性のために使われた地熱は、エネルギー源だったとは言えないように思う。適切な反応温度を保ったという程度だろう。

A君:何か、新しい資源があり得るか。深海生物には、有機物と酸素ではなくて、硫黄分などを使う生命がいます。化学合成細菌というのが総称のようですが、酸化還元電位の異なる二種類の無機化合物をエネルギー源として使うという生命です。電子供与体としては、硫化水素、水素、亜硝酸イオン、亜硫酸イオン、2価の鉄。電子受容体としては、酸素、硝酸イオン、二酸化炭素など。

B君:熱水噴出口からでる熱水は、高温高圧の地殻を通るときに、様々な物質を溶かしこむので、硫化水素、メタン、水素、二酸化炭素などのガス。さらには、鉄、マグネシウム、亜鉛、ケイ素などを含む。

A君:現時点では、深海にも潜れるようになったし、また、深海底の掘削も可能にはなりました。しかし、熱水噴出口あたりからエネルギーを取り出すというのは、ちょっと不可能ですね。生物学的な研究対象に留まるようです。

B君:これらの生物の死骸が海底に溜まっていたとしても、それが石炭や石油になるというメカニズムはなさそう。メタンガスにもならないかもしれない。

C先生:ということは、深海を探索すれば、新しい化石燃料が得られるということは無さそうだということになる。そろそろ結論をまとめて欲しい。

A君:原始地球の段階で、技術さえ有れば、原子力は可能な元素分布になっていた。長寿命な核種でも、原始地球の時代の方が、濃度が高かった。

B君:そうだ。天然ウランに含まれるウラン235の濃度は、原始地球のときには高かったはずだ。

A君:ウラン235の半減期が7.04億年なので、もしも地球の誕生が46億年前だとしたら、今よりも90倍ぐらい存在量が多かった。だから、歴史上、天然原子炉なるものが存在できた。アフリカのガボン共和国のオクロというところで見つかっている。20億年ほど前、数10万年に渡って、平均で100kW相当の核分裂が起きていた。

B君:原子炉というものは、人工的なものだと思われるかもしれないけれど、自然にもあった。すなわち、完全な人工的な技術だとは言えないのだ。原子力に関しては、長時間を経て、ウラン235などの濃度は減っていく。すなわち、時代を経るほどに不利になる。

A君:それほどの長時間を考えるのなら、太陽は63億年後には赤色巨星の段階にはいって、膨張して、水星と金星は飲み込まれるとされていますね。その後も膨張するらしいですが、太陽の質量が減るため、地球の公転軌道が外側に移動するため、地球が飲み込まれる訳ではない。しかし、地表の温度は、生命が存在できる限界をかなり早い段階で超しそうに思います。

B君:その時点で、地球は死の星に戻る。植物が生育できなくなれば、何をやっても人類は生存できない。そんな状態になるのも、多分、十億年以上先のことだろう。


結論:エネルギー源に使えるものは

C先生:以上の議論で、現在の地球の状況が大体分かった。さて、何がエネルギー源として使えるのだろうか。

A君:まずは、太陽ですね。当たり前のことですが、地球が固体になって以来、太陽系の中心である太陽からのエネルギーが地球の表面で起きたことの、ほぼ、すべてを決めている。

B君:幸いにして、太陽は、現時点でも地球の表面で起きることの大部分を決めるほどのエネルギーを供給している。

A君:現時点で直接太陽が供給してくれているものは、光エネルギー、熱エネルギー。光エネルギーは、直接使えば、太陽電池。光合成に使われた光エネルギーを使えば、バイオマス発電。熱エネルギーは直接使えば、太陽熱発電。熱エネルギーが大気の動きや降雨などに変換されたものを使えば、風力発電や水力発電。海流や海水温などに変換されたものを使えば、海流発電、海洋温度差発電。波浪発電は、大気の動きと海水の協調作業。

B君:同じ海洋エネルギーでも、潮汐は月が支配している珍しいエネルギー。これは、ジャイアント・インパクトという珍事のお蔭なのだろう。

A君:地熱というエネルギーは、極めて特殊なエネルギーで、地球の生成時の熱、地球に含まれている放射性物質の崩壊熱、内部が液体状であることが生ずる摩擦熱などなどが起源ですが、これをなんと表現すべきなのでしょうね。

B君:地球の「自力エネルギー」というのはどうだ。

A君:「地球ができたときの遺産エネルギー」というのは。

B君:世界遺産が流行っているので、「地熱は地球遺産エネルギー」にするか。

A君:以上のようなエネルギー源が、自然エネルギーとか再生可能エネルギーに分類されているものです。

B君:これで、一次エネルギーのうちの2種が終わった。過去の太陽エネルギーを貯めたものが、化石燃料。石炭、石油、シェールガス・オイル、メタンハイドレート。

A君:これで、一次エネルギーの3種類は分かりましたが、これ以外に、なんらかのエネルギー源はあるのかの検討になります。

B君:すでに述べたように、金属鉄、金属亜鉛などを、もしも地球から取り出せれば、それを空気中で燃やす、より正確に表現すれば、金属−空気電池を作ることによって、電気エネルギーを得ることはできる。熱エネルギーが欲しいなら、直接燃やせば良い。

A君:そんな金属鉄などは、どこにあるのか。半径6400kmの地球ですが、5100kmから中心までは、内核と呼ばれて、固体の金属からできていて、2900kmから5100kmは、外核と呼ばれ、溶融した液体状の金属からできています。地表から2900kmまでは、基本的に酸化物なので、金属とは言えません。

B君:もしも2900kmの穴を掘ることができれば、資源として利用できる最初の条件は満たすけれど、これも不可能だろう。それができたとしても、液体の金属をどうやって取り出すか、などなど不可能の塊としか言えない。地球上の元素で実現できることの極限を超している。

A君:現時点で掘れる穴は、数1000mといったところなので、まだ1000倍ぐらい違う。

C先生:そろそろ最終結論か。結局、残っているエネルギー源として可能性がゼロとは言えないものが、宇宙線、そして、地核の外核の構成物である金属ぐらい。それ以外のエネルギーは、すでに人類がすべて使っている。あるいは、使おうとしている。核融合が、まだ実現していないので、今後、実現しようとしているエネルギーに分類される。これは原子力(核力)に属するものだ。

A君:宇宙という遠隔地にある薄いエネルギーを使うことは、エネルギーの重要概念であるEPR=Energy Profit Ratioの条件を満たさないので、チャレンジする意味がない。そして、地核にある金属核も同様で、チャレンジする意味もないし、それを可能にする材料が何もないことが明白。

B君:ということは、ことエネルギーに関しては、現在使っている、あるいは、使おうとしている3種類の一次エネルギーが全部であって、新たな一次エネルギーは、無いと考えることが妥当なことである。

C先生:それが結論で良いだろう。人によっては、熱力学の限界を超越した永久機関と言えるエネルギー源を発明したと主張する人がいるが、残念ながら、99.999999%インチキだ。これまで、「熱力学の限界を超すシステムはできない」、という仮定が覆ったことは無いのだ。余程の新規発明があっても、難しい。
 そういう意味から言えば、核融合が唯一の新規エネルギーと言えるかもしれない。しかし、個人的な見解としては、そのうち、まあ、2100年ぐらいが目標だけれど、ほぼ自然エネルギーだけで地球上のすべてのエネルギーの供給が可能になるだろうから、核融合は、他の惑星での居住用とか、場合によっては、何か(例えば核戦争)が起きてしまって、想定するのも難しいのだけれど、ほぼすべてのエネルギー資源が使えなくなり、残ったエネルギー供給システムは核融合以外にないといった状況を除いて、不必要なのではないか、と思っている。
 基本的に、エネルギーは、集めれば集めるほど危険性は増大する。例えば、ガソリン程度でも大きなタンクがなんらかの理由で燃え出すと結構大変だ。供給と利便性が確保できさえすれば、分散型のエネルギー源の方が、リスクは少ない。今後、供給問題に対する考え方と技術の双方を変えることができれば、先進国の人々は、安全性の高い分散型のエネルギーを好むような気がするのだ。