ギズモード・サイエンスフェア：より環境に優しい核融合燃料の開発

チューリッヒ工科大学、テキサス A&M 大学、ハマド・ビン・ハリーファ大学、カナディアン・ライト・ソース社、ポール・シェラー研究所の研究者らが、核融合の主要燃料であるリチウム 6 を安全かつ持続的に抽出した功績により、2025 年ギズモード・サイエンス フェアの受賞者となりました。

質問

電気化学プロセスは、水圧破砕法で汚染された水を浄化するのに役立つでしょうか？また、同じ装置を使って油田廃水からリチウム6を抽出できるでしょうか？

結果

ETHチューリッヒが主導するプロジェクトは、その可能性を示唆している。研究者らが「逆バッテリーのようなもの」と表現するこのシステムは、水を満たしたセルに電力を供給することで機能し、負に帯電したゼータ酸化バナジウム電極がリチウムイオン（6価）と結合して捕捉する。一方、より重いリチウムイオン（7価）はトンネルをすり抜ける。このプロセスにより、4時間サイクルを25回繰り返すだけで、核融合燃料として十分な量の6価リチウムを生成できると、3月20日にChem.誌に掲載されたこの技術に関する論文は述べている。

なぜ彼らはそれをしたのか

リチウム6は希少でありながら、核融合反応に用いられる水素のさらに希少な同位体であるトリチウムの製造に不可欠な原料です。現在、米国は冷戦時代に備蓄されたリチウム6を、有毒な水銀から抽出する現在禁止されている方法で調達しています。言うまでもなく、私たちはリチウム6が枯渇する日を数えているだけです。

スイスのETHチューリッヒ校の化学エンジニア、サルバジット・バナジー氏は、難解な分離問題に対して独創的な電気化学的解決策を考案する才能に恵まれています。このプロジェクトにおいて、彼とチームは、汚染水からリチウムを分離するために設置した電気化学セルが非常に効率的であることを発見し、このメカニズムを他の分野、例えば汚れた水から貴重なリチウム同位体を採取するといった分野にも応用できるのではないかと考えるようになりました。

「当初の焦点は、バッテリー用リチウムのサプライチェーンに膨大な課題があったため、汚染水からリチウムを除去することだけでした」と、研究共著者で、現在この技術を商業利用に拡大することを目指しているスタートアップ企業Quiddity Productsの主任化学者であるアンディ・エザジ氏は述べた。このセルをリチウム6の抽出にも応用するというアイデアは、チームが様々な産業におけるリチウムの用途を検討していた際に、むしろ自然に生まれたものだった。

チームはついに解決策を見出しましたが、そこに至るまでには多くの試行錯誤が必要でした。汚染された水を浄化するためのプロジェクトとして始まったものが、貴重なリチウム6を採取する技術へと進化したのです。「私たちは、漏れているパイプや数日ごとに停止するポンプをいくつも経験しました…時には核科学者、時には配管工です」とバネルジー氏は冗談を言いました。

彼らが勝者である理由

最も驚くべき点は、このセルの分離効率が「米国で禁止されている従来のプロセスと既に競合できる」ことだとエザジ氏は述べた。「実験室での概念実証が、既存の産業規模のプロセスと既に競合できるというのは、非常に稀なことです。」

「私たちが開発した技術は、これまでのものとは全く異なるものです」とバネルジー氏は述べた。「基本的に、バッテリーのように、固体格子中をリチウムが移動する速度のわずかな違いを利用した技術を考案しました。」

研究面では、このプロジェクトは、学際的かつ世代を超えた取り組みが現実的で実用的な成果をもたらした素晴らしい実証例です。バナジー氏の長年にわたるこの分野での経験が、この技術開発の鍵となりました。しかし、このプロジェクトを真に実現させたのは、NISTとカナダ光源研究所のパートナーに加え、若いメンバーたちでした。彼らは、セルの材料効率を最大化するのに尽力しました、と彼は述べています。

「私たちは、いわばアイデアラボのような存在でありたいと思っています。一つのことだけに集中するのではなく、とにかくたくさんのことに挑戦しようとしているのです」とバネルジー氏は述べた。「これは、ある分野の研究が別の分野の研究を助け合うという、まさに完璧な例です。油田の研究とバッテリーの研究、そして核融合に関する私たちの知識が融合したのです。」

「この目標に向けて取り組んでいたわけではありません」とエザジ氏は付け加えた。「しかし、これまで行ってきたことはすべて、まさにこの軌道を注意深く調整し、それを実際に活用するためのものでした。」

次は何？

研究室で製作した概念実証が確かな可能性を示し、チームは既にこの設計を市場投入することに注力している。スイスでは、バナジー氏のチームが技術の改良に取り組んでおり、テキサスではエザジ氏が事業関連の計画を指揮している。

「現在私たちが掲げる主な目標は、この種の同位体分離技術を真に進歩させ、核分裂や核融合の用途、そしてサプライチェーンのダイナミクスのために高純度のリチウム6と7を提供することです」とエザジ氏は説明した。

「タイミングは本当に完璧です。原子力エネルギーにとって春の訪れです」とバネルジー氏は語った。「『私は正しい場所に正しいタイミングでいて、一緒に仕事ができる正しい人たちに恵まれている』と思えた時にだけ、楽観的な気持ちになれることがあるんです」

チーム

研究チームには、ETHチューリッヒのサルバジット・バナージー氏、テキサスA&M大学のアンドリュー・A・エザジ氏、ハリス・コール氏、J・ルイス・カリージョ氏、サウル・ペレス・ベルトラン氏、カルロス・A・ラリウズ氏、ハイメ・A・アヤラ氏、アルナブ・マジ氏、スタニスラフ・ヴェルコトゥロフ氏、カタールのハマド・ビン・ハリーファ大学のモハメッド・アル・ハシミ氏とハッサン・バジ氏、NISTの材料測定研究所のコナン・ウェイランド氏、チェルノ・ジェイ氏、ダニエル・A・フィッシャー氏、カナディアン・ライト・ソース社のルシア・ズイン氏とジャン・ワン氏が含まれています。

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