为环境零负荷作出贡献的新一代能源利用技术和二氧化碳转换技术

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摘  要：本文将对以下两种用于实现环境零负荷的技术进行说明：①新一代能源利用技术，能够利用已投入实际使用的绝对清洁且取之不尽的能源；②以及二氧化碳转换技术，能够有效固定作为环境负荷之一的二氧化碳(CO₂)，并将业务活动的总排放量控制在零以下。

关键字：新一代能源利用技术、二氧化碳转换技术、太空太阳能发电技术、核聚变

用于实现新一代能源利用的举措

为了实现可持续社会，NTT宇宙环境能源研究所新一代能源技术小组正致力于以下两个主题：绝对清洁且取之不尽的能源——聚变能相关的技术；以及太空太阳能发电技术。

■核聚变反应堆的最佳运行技术

聚变能相关技术旨在通过利用IOWN（Innovative Optical and Wireless Network）技术来优化核聚变反应堆的运行，NTT宇宙环境能源研究所于2020年5月与ITER国际核聚变能源机构签订了全面合作协议。另外，2020年11月，为了开发出创新型环境能源技术，与日本国立研究开发法人量子科学技术研究开发机构签订了合作协议。聚变能是来自太阳和宇宙其他恒星的能量，是指轻原子核等相互融合后成为更重原子核的核反应。例如，在DT核聚变反应中，氢的同位素氘(D)和氚(T)的原子核相融合，生成氦和中子，而仅1克氘和氚的核聚变反应所产生的能量就相当于燃烧约8吨石油（一辆油罐车的装载量）所产生的热量。核聚变反应堆是将发生在太阳上的现象应用于地球，命名为ITER计划的超大型国际项目正在进行中，其目的是将聚变能应用于发电（图1）。该项目由日本、欧洲、美国、俄罗斯、韩国、中国、印度七大经济体共同推进，且正在法国南部的圣保罗莱迪朗斯（Saint-Paul-les-Durance）组装“国际热核聚变实验反应堆”，目标是在2025年完成初步实验。如果能实现聚变能，再结合太阳能和风能等分布式可再生能源，有望在数百万年内为世界提供安全且可靠的能源。

在核聚变实验堆ITER中，将作为燃料的氘和氚密封在环形磁场中，加热使其变成等离子体状态，再加热到1.5亿度，由此产生核聚变反应。为了从该核聚变反应堆中提取能量，长时间且稳定地产生等离子体十分重要。为此，需要将从核聚变反应堆中获得的最大50GB/s的庞大传感器数据传输到控制中心，在控制中心计算出最佳数值，并立即反馈以控制等离子体的形状。而且，控制网络的高速化和低延迟化也必不可少。因此，目标是通过利用光子网络和分解计算来实现核聚变反应堆的最佳运行，其中，光子网络是IOWN基础技术之一，具有高品质、大容量、低延迟等特征，分解计算是一种新计算架构，用于实现数据的高速和高效处理。

此外，核聚变反应堆正式开始运行后，每天都会产生EB（exabyte）级别数据。IOWN技术还有助于将该数据存储在世界各国的数据中心，并在数据中心之间高速进行应用。未来的目标是，通过利用数字孪生计算（DTC），在网络空间上真实再现核聚变反应堆，并通过对核聚变反应堆进行极其先进的模拟和未来性能预测，为进一步提高控制技术作出贡献。

■太空太阳能发电技术

太空太阳能发电技术在距地面3.6万公里的静止卫星轨道上进行太阳能发电，通过激光或微波将能量输送到地面，再在地面上转化为电能等能源（图2）。在静止卫星轨道上，几乎可以24小时365天接受太阳的能量，而且不会受到地球大气对能量吸收和散射的影响，因此与地面相比，单位面积能稳定接受约10倍的能量。为在2030年以后实现太空太阳能发电技术的实用化，正在以宇宙航空研究开发机构为中心推进研究开发，一旦实现该技术，便能够使清洁且取之不尽的能源使用成为可能。研究人员正在尝试一种使用激光的方法，由于波长比微波短3～4位数，这意味着光束扩展角小且易于长距离传输。

在实现太空太阳能发电方面，主要有三大技术领域。第一种是在静止卫星轨道上将太阳能高效转换为激光的技术。传统方法是使用由太阳能电池产生的电力进行激光振荡，而研究人员正在研究一种与该传统方法不同的系统。该系统通过直接将太阳光照射在特殊晶体上来激发激光以高效进行激光振荡。

第二种是用激光精准照射地面目标的技术。激光具有易于远距离传输的优点，但为了从36000公里外的静止卫星轨道上以±10m的精度照射激光，需要0.3μrad（2×10^-6度）的方向控制精度。而且，还必须消除对通过的大气的波动造成的影响。因此，正在研究一种光束传输方法，该方法利用贝塞尔光束^＊2等焦点深度较深的光学系统，以及用于在天文领域方面消除在大气中传播的光波动的自适应光学。

第三种是将激光高效转换为能源的技术。与由多种波长的光混合而成的太阳光不同，激光具有单一波长，因此正在研究在特定波长下具有高转换效率的太阳能电池。此外，在使用太阳能电池将激光转换为电能的情况下，存在大约一半的能量变成热能的问题。因此，正在研究一种利用热化学反应以不同形式（例如氢或氨）临时储存能量的方法，而不是将激光直接转换为电能。研究人员认为，该项技术可以成为实现氢能社会的关键技术。

面向二氧化碳(CO2)排放量净零的举措

为了向地球环境的再生和可持续社会的实现作出贡献，可持续系统研究小组正致力于使所有环境负荷降至零以下的可持续系统的研发及其社会实施。降到零以下意味着不仅要减少排放，还要降低已经存在的环境负荷。影响环境负荷的因素有许多种，其中之一便是CO₂，《巴黎协定》等条约要求减少CO₂的排放量。因此，该研究小组正通过两种方法进行二氧化碳减排的研究和开发（图3）。

■CO₂转换技术（电化学方法）

CO₂转换技术中的一种方法是电化学方法，基于用于通信设备的半导体技术和用于燃料电池等的催化剂技术。该方法能够利用太阳能等光和电磁能量，从水（H₂O）和CO₂中生成甲烷（CH₄）等碳化燃料和甲酸（HCOOH）等可储存的氢能载体，同时减少大气中的CO₂。该方法模仿植物的光合作用，利用太阳能等光能由水和二氧化碳合成碳水化合物，因此也被称为“人工光合作用”。电化学方法的优点是可以利用太阳能等自然能源来生成可储存的燃料（能源），生成的燃料可用于各种用途，还有望成为碳中和能源。

但是，在该电化学方法的实用化过程中还存在一些课题。例如，半导体器件（材料）利用太阳光的能量来生成氢离子（H⁺）和电子（e^-），在作为电极安装在水中时，其表面会发生去离子化（腐蚀），导致性能下降，因此需要一种延长使用寿命的技术，使反应能长时间持续稳定进行。此时，可用作能量的光的波长取决于半导体器件的物理特性，因此需要扩宽可吸收各种波长能量的范围。同样，对于用于还原CO₂的催化剂，也需要确立一种用于延长寿命的技术，以降低反复化学反应而导致的性能劣化。因此，该研究小组正与在半导体器件和催化剂方面拥有相关经验和技术的NTT尖端集成器件研究所合作，致力于实现更长的寿命和更高的效率。

此外，在使用电化学方法的CO₂转换技术的实用化过程中还存在操作和安全方面的问题。例如，许多正在开发的人工光合作用系统的性能都是在实验室等相对容易控制的环境中进行评估，但在实际环境中还存在一些制约条件。举个具体的例子，很多实验室是从气瓶中加入高纯度、高浓度的CO₂，但实际上，对于大气中浓度约为0.04%的CO₂也必须高效发挥作用。因此，正在对可以从大气中直接回收低浓度CO₂的“Direct Air Capture（DAC）”技术进行研究开发。但是，如果必须结合DAC技术，则需要更高的成本，因此需要优化设计，以使两种技术都顺利进行。而且，作为电化学反应原料的气体和生成气体中还含有氢气（H₂）和一氧化碳（CO），为了防止这些物质在发生事故时释放到大气中，需要牢固的安全设计。如此，对于利用电化学方法的CO₂转换技术的实用化来说，单纯追求效率是不够的，因此需要寻求一种能够同时解决操作和安全问题的最佳解决方案。

■CO₂转换技术（生物学方法）

CO₂转换技术的另一种方法是生物学方法，该方法通过优化控制基因组编辑和育种及生长环境，最大限度地提高植物和藻类的光合作用功能。在过去的30年里，地球上的森林面积一直在增加，但有报告显示，由于全球变暖和人工采伐，其多样性和健全性正在下降。这可能表明形成森林的植被与生活在那里的生物和微生物的共生、以及共存所需的自然角色划分并不顺利。因此，在利用生物学方法的CO₂转换技术中，通过充分利用基因组编辑技术和生长环境控制技术，提前植物激活其光合作用功能的时间（早期生长），并长时间保持该时间（长期健全化）来最大化每株植物光合作用能力。如果可以增加用于提高每棵树光合作用能力的森林面积，则可以实现植物的长期碳固定。

此外，通过专门种植作为食品和工业用资源的蔬菜和树木等，在保持高品质的同时促进其早期生长，可以在生长期吸收更多的二氧化碳，在收获和砍伐后，还可以用于其它的碳循环。藻类也是一样，通过利用基因组编辑技术和生长环境控制技术，并在短时间内生长，可以有效吸收溶解在水中的二氧化碳，为改善湿地和海草床的环境作出贡献。

然而，利用生物学方法的CO₂转换技术也存在课题。例如，众所周知，树木能够长时间固碳且光合能力强，但其基因数量多，分析基因组并确定作用于早期生长和长期健全化的基因组需要花费大量时间。而且，即使进行基因组编辑，由于树木的生长需要漫长的时间，因此确认其效果也不容易。对于藻类而言，虽然遗传数量少，基因组分析和基因组编辑相对容易，但藻类在生长后，用于提高附加价值的资源化（加工）和无法有效利用部分的处理都需要能量。

因此，作为用于缩短验证基因组编辑对树木的效果的时间的手段之一，正在考虑使用DTC（IOWN的基本技术之一）。如果可以在虚拟空间中构建植物和生长环境的分析模型并进行虚拟生长模拟，则即使不进行栽培等的真实验证，也有望在短时间内预测效果。而且，如果可以在种子和幼苗阶段选择疾病风险低的遗传特性，则可以将其应用于优良育种的选定。关于藻类处理的问题，重要的是将多个碳循环有效联系起来，例如将其作为食物和资源提供给其他生物和其他碳循环。

未来展望

本文概述了面向新一代能源技术和CO₂转换技术的举措。今后，计划将在优化核聚变反应堆运行过程中积累的技术作为通过实时控制进行网络物理系统协作的用例扩展到其他行业。在确立太空太阳能发电技术的过程中，计划通过为地面无人机等移动设备供电来实现长期运行，逐步将其作为避难所和偏远岛屿的应急用供电技术并投入实际使用。

另外，这两种CO₂转换技术在实用化和社会实施方面还存在一些需要解决的课题，这些课题得到解决后将对地球环境作出巨大贡献。因此，为了尽快解决本文所述的课题，将重点关注有望实现ICT效果的方面并推进研究开发，例如，电化学材料的物理特性探索、植物及藻类的有用基因组识别、虚拟生长模拟等。

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翻译：李释云

审校：李   涵

贾陆叶

统稿：李淑珊

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