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- はじめに：植物のように、太陽の光からエネルギーをつくる
- 第1章：植物の光合成のおさらい
- 第2章：人工光合成とは？
- 第3章：太陽光発電との違い
- 第4章：日本で生まれた「光触媒」
- 第5章：身近なところで活躍する光触媒
- 第6章：水から水素をつくる研究
- 第7章：二酸化炭素を「資源」に変える研究
- 第8章：人工光合成が実現すると何が変わる？
- 第9章：実用化に向けた課題1 効率を上げる
- 第10章：実用化に向けた課題2 コストと規模
- 第11章：「カーボンニュートラル」と人工光合成
- 第12章：世界の人工光合成の研究
- 第13章：水素社会への期待
- 第14章：子どもと一緒に光合成を観察しよう
- 第15章：科学の発見が社会を変えるまで
- よくある疑問（Q&A）
- まとめ：太陽と水と二酸化炭素から、未来をつくる
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はじめに：植物のように、太陽の光からエネルギーをつくる
夏の強い日差しを浴びて、植物はぐんぐんと育ちます。植物は、太陽の光と水、空気中の二酸化炭素を使って、自分の栄養となる糖をつくり出し、酸素を出しています。これが「光合成」です。
この植物の働きを、人の手でまねしようという研究があります。それが「人工光合成」です。太陽の光を使って、水から燃料となる水素をつくったり、地球温暖化の原因となる二酸化炭素から、プラスチックの原料などの役に立つものをつくったりする技術です。
人工光合成は、エネルギー問題と地球温暖化の両方を解決する「夢の技術」として、世界中で研究が進められており、日本はこの分野で世界をリードしています。この記事では、人工光合成の仕組みや、日本の研究の歩み、実用化に向けた課題を、わかりやすくご紹介します。
第1章：植物の光合成のおさらい
植物の葉の中にある「葉緑体」では、次のような反応が起きています。
- 光を受け取る：葉緑素（クロロフィル）が、太陽の光のエネルギーを吸収する。
- 水を分解する：光のエネルギーを使って、水を分解し、酸素を外に出す。
- 糖をつくる：水の分解で得たエネルギーを使って、空気中の二酸化炭素から、糖（でんぷんのもと）をつくる。
つまり、植物は、太陽の光のエネルギーを、糖という形の「化学エネルギー」に変えて、たくわえているのです。私たちが食べている食べ物も、石油や石炭などの化石燃料も、もとをたどれば、植物などの光合成によってつくられたエネルギーです。
第2章：人工光合成とは？
人工光合成とは、植物の光合成の仕組みにならって、太陽の光のエネルギーを使い、水や二酸化炭素から、人間にとって役に立つ物質をつくり出す技術のことです。
人工光合成でつくろうとしているものは、主に次の二つです。
- 水素：水を分解してつくる。燃やしても二酸化炭素を出さない、クリーンな燃料になる。
- 炭素を含む化学物質：二酸化炭素を原料にして、燃料や、プラスチックなどの原料となる物質をつくる。
第3章：太陽光発電との違い
太陽の光を使ったエネルギーといえば、太陽光発電が身近です。太陽光発電は、太陽の光を、直接「電気」に変える技術です。
一方、人工光合成は、太陽の光を、水素などの「物質」に変えて、エネルギーをたくわえます。電気は、ためておくのが難しく、たくさんためるには大きな蓄電池が必要です。けれど、水素などの物質であれば、タンクなどにためて、必要なときに使ったり、遠くまで運んだりすることができます。これが、人工光合成の大きな利点の一つです。
第4章：日本で生まれた「光触媒」
人工光合成の研究で、日本は大きな役割を果たしてきました。その出発点の一つとなったのが、1970年前後に、日本の研究者である本多健一さんと藤嶋昭さんが発見した現象です。
二人は、水の中に入れた酸化チタンという物質に光を当てると、水が分解されて、酸素と水素が発生することを発見しました。光を当てることで、化学反応を促す物質は「光触媒（ひかりしょくばい）」と呼ばれ、この発見は「本多・藤嶋効果」として、世界中から注目を集めました。
第5章：身近なところで活躍する光触媒
光触媒の技術は、人工光合成の研究だけでなく、私たちの身近なところでも使われています。
- 汚れにくい外壁やガラス：光が当たると、表面の汚れを分解し、雨で洗い流されやすくなる。
- 曇りにくい鏡：光触媒の働きで、水滴が広がって、曇りにくくなる。
- 空気清浄機：においのもとや細菌を分解する。
日本で生まれた光触媒の技術は、さまざまな製品に生かされ、暮らしを支えています。
第6章：水から水素をつくる研究
人工光合成の研究の大きな柱の一つが、光触媒を使って、水から水素をつくる研究です。
日本では、国のプロジェクトとして、大学や企業が協力して研究が進められてきました。2021年には、光触媒をシート状にしたパネルを、100平方メートルの規模で並べ、太陽の光で水を分解して、水素を安全に取り出す実験に成功したことが発表されました。これは、人工光合成を大きな規模で行う道を開く成果として、世界から注目されました。
第7章：二酸化炭素を「資源」に変える研究
人工光合成のもう一つの柱が、二酸化炭素から、役に立つ物質をつくる研究です。
二酸化炭素は、地球温暖化の原因として、減らすことが求められています。その二酸化炭素を、太陽の光のエネルギーを使って、燃料や、プラスチックの原料となる物質に変えることができれば、地球温暖化を防ぎながら、資源を生み出すことができます。日本の企業や研究機関は、植物の葉のように、太陽の光と二酸化炭素と水から、有用な物質をつくり出す「人工の葉」の開発を進めています。
第8章：人工光合成が実現すると何が変わる？
- 化石燃料に頼らないエネルギー：太陽の光から水素などの燃料をつくれれば、石油や石炭に頼らずにすむ。
- 地球温暖化の対策：二酸化炭素を原料として使うことで、大気中の二酸化炭素を減らすことにつながる。
- 資源の少ない国の強み：日本のように、石油などの資源が少ない国でも、太陽の光と水から、エネルギーや資源を生み出せる。
- プラスチックの原料：石油の代わりに、二酸化炭素から、プラスチックなどの化学製品をつくれる。
第9章：実用化に向けた課題1 効率を上げる
人工光合成の実用化に向けた最大の課題の一つが、効率です。太陽の光のエネルギーのうち、どのくらいの割合を、水素などのエネルギーに変えられるかを「変換効率」といいます。
実は、植物の光合成の変換効率は、1％にも満たない程度だといわれています。人工光合成では、植物を上回る効率を実現した研究成果も出てきていますが、実用化して、ほかのエネルギーと競争できるようになるためには、さらに効率を高める必要があります。
第10章：実用化に向けた課題2 コストと規模
実用化のためには、コストを下げることも欠かせません。光触媒などの材料を、安く、たくさんつくれるようにすること、広い面積に設置しても、長い期間、性能を保てるようにすることなどが求められています。
また、つくった水素を安全にためたり、運んだりする仕組みや、二酸化炭素を効率よく集める技術なども、あわせて整えていく必要があります。人工光合成は、一つの技術だけでなく、社会全体の仕組みと組み合わせて、はじめて大きな力を発揮するのです。
第11章：「カーボンニュートラル」と人工光合成
日本は、2050年までに、温室効果ガスの排出を全体としてゼロにする「カーボンニュートラル」を目指しています。その実現のためには、再生可能エネルギーを増やすとともに、どうしても出てしまう二酸化炭素を回収して、有効に利用する技術が欠かせません。
人工光合成は、こうした目標の実現に貢献する技術の一つとして、大きな期待が寄せられています。今すぐに私たちの暮らしを変えるものではありませんが、研究者たちは、未来のエネルギーの形を目指して、一歩一歩、研究を進めています。
第12章：世界の人工光合成の研究
人工光合成の研究は、日本だけでなく、アメリカやヨーロッパ、中国など、世界中で進められています。アメリカでは、国の研究所が中心となって、太陽の光から燃料をつくる研究に大規模に取り組んできました。ヨーロッパでも、複数の国の研究機関が協力して、人工光合成の実用化を目指すプロジェクトが進められています。
国や研究機関によって、使う材料や仕組みはさまざまです。光触媒を使う方法のほか、太陽電池でつくった電気を使って水や二酸化炭素を分解する方法、微生物や酵素の働きを組み合わせる方法なども研究されています。世界中の研究者が、さまざまなアプローチで、同じ夢に挑んでいるのです。
第13章：水素社会への期待
人工光合成でつくられる水素は、これからの社会で、大切なエネルギーの一つになると期待されています。水素は、燃料電池で電気をつくったり、燃料電池自動車を走らせたり、工場で使う熱をつくったりと、さまざまな使い道があります。使っても、二酸化炭素を出さず、水しか出ないのが大きな特徴です。
ただし、現在つくられている水素の多くは、天然ガスなどの化石燃料からつくられており、その過程で二酸化炭素が出ています。太陽の光や再生可能エネルギーを使って、二酸化炭素を出さずにつくる「グリーン水素」を増やしていくことが、水素社会を実現するための鍵となります。
第14章：子どもと一緒に光合成を観察しよう
夏休みは、植物の光合成を観察する、よい機会です。たとえば、水草を水の入ったコップに入れて、日なたに置いておくと、葉の表面から小さな泡が出てくることがあります。これは、光合成によってつくられた酸素の泡です。日かげに置いたときと比べてみると、光の大切さがよくわかります。
身近な植物の不思議を知ることは、人工光合成のような最先端の科学への興味にもつながります。夏休みの自由研究のテーマとしても、おすすめです。
第15章：科学の発見が社会を変えるまで
光触媒の発見から、人工光合成の大規模な実験に至るまでには、50年以上の長い年月がかかっています。科学の発見が、私たちの暮らしを変える技術になるまでには、多くの研究者のたゆまぬ努力と、長い時間が必要なのです。
今、研究室で行われている小さな実験が、数十年後の私たちの暮らしを、大きく変えているかもしれません。基礎的な研究を大切にし、長い目で応援していくことも、未来の社会をつくるうえで欠かせないことです。
よくある疑問（Q&A）
Q1. 人工光合成は、いつごろ実用化されるのですか？
人工光合成は、まだ研究や実証の段階にあります。大規模に実用化されるまでには、まだ時間がかかると考えられていますが、国や企業による研究開発が進められており、2030年代以降の社会実装を目指す取り組みもあります。
Q2. 植物を増やすのと、人工光合成は、何が違うのですか？
森林を守り、植物を増やすことも、二酸化炭素を減らすうえでとても大切です。一方、人工光合成は、植物が育たない砂漠や、建物の屋根などでも行うことができ、つくり出す物質を、燃料や化学製品の原料として直接利用できる点が特徴です。両方を組み合わせて取り組むことが大切です。
まとめ：太陽と水と二酸化炭素から、未来をつくる
人工光合成は、植物の光合成にならって、太陽の光のエネルギーを使い、水や二酸化炭素から、水素や役に立つ物質をつくり出す技術です。日本で生まれた光触媒の発見を出発点に、日本は、この分野の研究で世界をリードしてきました。
効率やコストなど、乗り越えるべき課題はまだ多くありますが、エネルギー問題と地球温暖化の両方に挑む、夢のある研究です。夏の日差しを浴びて育つ植物を見かけたら、その小さな葉の中で起きている、驚くべき仕組みに思いをはせてみませんか。
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