Thursday, December 30, 2010

ご飯を炊くエネルギー その12 鉄

信じ難いかもしれないが、鉄だって燃えるのである。

ライターで鉄を炙っても、ガスバーナーで炙ってみても、ましてや鉄筋コンクリートの家が火事で焼けてしまっても、鉄は燃え上がることはなく、せいぜい赤熱して柔らかくなりゆっくり変形するだけである。そもそももし鉄が燃えるのであれば、鉄鍋を火鉢にかけて汁を作ることもできず、火箸も蒸気機関車も焼却炉もまったく使いものにならない。ところがこの鉄が燃えるという現象は、普段の生活においてかなり身近な存在であったりする。寒い冬に重宝する使い捨てカイロが、鉄の燃焼を利用して発熱しているのだ。急激に燃焼することなくじわじわと反応するように鉄を含んだ成分が調合されており、人肌より少しだけ高い温度を長い時間持続する。

さてそれでは、早速鉄を燃やしてみよう。しかしいくら長時間、それこそ丸一日、鉄をコンロで炙ってみても一向に火はつかない。いったいどうすれば良いのか。そこでまず、非常に燃やしにくい鉄ではなく、木を燃やす手段から考えてみる。キャンプ場で焚き火をするために買ってきた太い薪は、いくらライターで炙ったところでまったく火がつかないが、木を薄く削ったカンナ屑や木が原料の紙は、ライターでいとも簡単に火がつく。そう、薄くすれば火が付きやすくなるのである。すなわち立体から面にすれば良い。さらに火を付けやすくするにはどうすればよいか。今度は面から線に、すなわち細い糸状にすれば良い。ポケットに溜まった糸くず同様に、繊維状にした木はライターで炙らずとも火打石の火花だけで発火するだろう。これとまったく同じ原理を鉄にも応用すればよい。鉄を細い糸状に伸ばした台所の流しや鍋を掃除するスチールウールだったら、ライター1つで燃えるのである。

では、15グラムの鉄でご飯が何合炊けるのか。0.15合である。

 

ところで鉄が燃えるというのは、いったいどのような現象なのだろうか。一般的に物が燃えるといえば、燃やすものと空気中の酸素が結合して、熱と光が発生することをいう。上の図にある木や石炭、灯油、水素などの燃焼がそれにあたる。木が燃焼すれば、熱と光を出しながら空気中の酸素と結合して水と二酸化炭素へ変化し、空気中に発散して消えていく。灯油も同様に燃えて水と二酸化炭素になり、水素は燃えて水だけになる。鉄の場合は、熱と光を出しながら空気中の酸素と結合して酸化鉄、いわゆる錆となる。

さてもう一度上の図を見てみると、鉄から始まって水素までは、同じ酸素と結合する燃焼であるにもかかわらず炊けるご飯の量が大きく異なる。鉄が0.15合しか炊けないのに対して、水素は2.7合も炊ける。この差が発生するメカニズムはどのようなものだろうか。じつは意外と単純に考えることができる。スチールウールが燃えると、だいたい鉄の原子1個に対して酸素の原子が1.3個結合して熱を発生する。かたや水素が燃えると、水素の原子1個に対して酸素の原子が0.5個結合して熱を発生する。鉄原子は水素原子に対して3倍弱の酸素と結合するが56倍も重いので、同じ重量を燃やせば鉄原子は水素原子に対して1/20の酸素としか結合できない。だから鉄の発熱量は水素の発熱量に対して少なくご飯が炊ける量も少ないと考えても、だいたいあっている。

宇宙に存在する原子の中で水素原子が一番軽い。また、例え優れた技術で人工原子を合成したとしても、水素原子より軽い原子は作れない。軽ければ軽いほどより多くのご飯を炊けるので、水素が宇宙で一番多くご飯を炊ける、燃やす(酸化させる)燃料なのである。スペースシャトルの燃料に水素が使われているのも、このような理由だと考えておおきく間違ってはいない。

Saturday, December 11, 2010

ご飯を炊くエネルギー その11 木

人類最大の発明であり、猿から人間へと進化する武器となった、焚き火。最も原始的な燃料である。

森の中で拾い集めた薪に火をつけて、ビール片手に焚き火をゆっくりと我が子のように慈しみながら育てていると、飽きることなく眠くなるまで何時間でも眺めてしまう。焚き火がもたらす安心感は絶大であり、たった一人でカナダ北西部の原野にある川を下っていると、まず夕方上陸して真っ先にすることは、特に暖が必要なほど冷え込んでいなくても薪を集めて焚き火を作ることであり、赤い炎を見るだけで抗うすべのない大自然から受ける底知れぬ不安感から開放される。このDNAに組み込まれているとしか思えない万人共通の感覚は、初期人類から始まった古い記憶であるに違いない。

焚き火でご飯を炊くのはとても難しい。家庭のガスコンロでもよいからご飯を鍋で炊いた経験のある人は分かると思うが、美味しく炊くには微妙な火加減とタイミングが命である。しかし焚き火ではそれを上手にコントロール出来ない。古い民家のように薪を燃やしてご飯を炊くための大きなかまどと十分に乾かした薪があればよいが、屋外の吹きっさらしだと風と湿った薪のおかげで、弱火を作り出すのは至難の業である。焚き火を一気に大量に燃やすと火が消えたときに赤々と燃えた炭が沢山できるので、その燠火の上に鍋を載せ、上手に炭の量で火加減をするなどの技が必要だ。

したがって本来焚き火でご飯を炊くには大量の薪が必要である。しかし一工夫してかまどのように風や熱を遮断する壁をレンガなどで作り、小さな炎で弱火を維持できる細い焚木が大量にあれば、ガスには及ばないが熱効率のよい炊き方が出来るかもしれない。そのような状態、すなわち燃料を燃やした熱が鍋に伝わる効率がだいたいガスと薪で同じであるとして、いったい15グラムの薪で何合のご飯が炊けるのだろうか?

木がもつ重量あたりの熱量は含まれる水分量によって変わり、もちろん乾燥している方が熱量は高い。日本は雨が多いので薪を拾っても湿っていることが多くなかなか火がつかないが、カナダに行くと乾燥気味で拾ってきた流木にばかみたいに簡単に火がつく。焚き火の経験が少なくても容易に火が着くのではないかと思うほどで、現に大規模な森林火災が非常に多い。水分45パーセントの木材チップがもつ熱量は約2,000キロカロリーなので、15グラムの薪では0.2合のご飯が炊けることになる。


再生可能エネルギーの1つであるバイオマスエネルギーの木材は、小規模な発電や暖房用などとして今後注目を集めていくだろう。15グラムの灯油でご飯が1合炊けるが、15gの木でご飯が0.2合だから、灯油と比較してもそんなに分は悪くない。木材ペレットならば拾ってきた薪より乾燥しているので、もう少し多くのご飯が炊ける。僕もいつかは薪ストーブで暖が取れる家に住みたいものだ。

Monday, December 6, 2010

ご飯を炊くエネルギー その10 石炭

僕が石炭と聞いて浮かび上がるイメージは蒸気機関車。遠路はるばる海を渡ってヨーロッパから走ってきたパリ発東京行きのオリエント急行が、上野駅から蒸気機関車のD51に牽かれて出発するのを観に行ったことがある。蒸気機関車は石炭を燃やしてお湯を沸かし蒸気で走るのだが、オリエント急行の年代物の客車に使われている暖房も各車両に備わった石炭ボイラーの温水で賄われており、上野駅の半地下になっているプラットホーム一面に石炭を焚いた煙と匂いが充満していて、そこだけ50年前のヨーロッパへと時間と空間が滑っていた。

石炭はすでに過去のものとなりつつあり、いまでも電力の主要な供給源となっているのは中国ぐらいだと思っていたが、調べてみると驚いた。アメリカでは50%、日本では27%もの電力が、未だ石炭火力から供給されているのである。埋蔵量が石油に比べて圧倒的に多く、また地域的な偏りがなく世界中に埋蔵されているのがそのメリットであり、二酸化炭素の排出量が石油よりも多いことがデメリットとなる。


では15gの石炭で炊けるご飯は何合か?0.5合である。灯油と比べると半分もの量が炊けるのであり、意外と侮れない。

 

石油は液体だからしっかりした容器に入れて保存と持ち運びをしないと危険だし、一年ほど放っておくと変質して駄目になるが、石炭なんて適当な容器にでも放りこんでおけば良さそうだし、たしかに発電等にはお手頃なのかもしれない。

Sunday, November 21, 2010

ご飯を炊くエネルギー その9 アルカリ乾電池

単3アルカリ乾電池8本が、百円ショップでたったの100円で売ってた。あまりの安さに驚く。しかもである、安いが電池の持ちも半分、というような「安かろう悪かろう」という品物ではどうやらないらしく、電池寿命はメーカー品と遜色ないようだ。多くの個人的な実験結果がウェッブ上に転がっている。百円ショップがもたらした革命は凄い。

普段の生活でも単3アルカリ乾電池は色々と利用されているが、特にアウトドアシーンでは大活躍する。ありとあらゆる便利な道具達が単3乾電池で駆動されるのであり、それらを列挙すると、
  • 時空間の革命児、ハンディ型GPS
  • 夜間の行動に欠かせない、LEDヘッドライト
  • みんなで楽しく食事をするときの、ランタン
  • 個人的にはあまり持ちたくない携帯電話の、充電器
  • 芸術や記録に、電池で動くデジタルカメラ
  • 夏には欠かせない、携帯型電動蚊取り線香
  • 気象情報や熊避けなどに、ラジオ
  • 仲間と行動するとき役立つ、無線機
  • 海外行くなら、電子辞書
  • 海に持って行くと海図まで見れちゃう、iPhoneの充電器
  • なんと人工衛星と直接通信し居場所を知らせる、ワールドワイド・ビーコン
などなど。こうして書き出してみると、もう普段から電気製品が生命維持装置となっている現代人は、まるで電池なしでは外で生きていけないようだね。

キャンプをすると大概の日本人はご飯を炊くのであるが、このように沢山の単3乾電池を持って行くので、おのずと浮かんでくるアイデアがある。前章でも触れたが、単3乾電池でご飯が炊けないのかと友達に質問された。皆さんも思ったことはないだろうか。通常は小型のガスコンロにカセットガスや専用のガス缶をセットして、鍋でご飯を炊くのであるが、これがまた結構難しく、熟練しないうちはご飯に芯が残ったり、べちゃべちゃになったり、炭のように焦げ付いてしまったりするのである。それに嵩張り重い。ならばどうせ乾電池を沢山持っていくのであるから、他の機器と共通の乾電池で、炊飯器と同じようにスイッチひとつで美味しいご飯が間違いなく確実に炊けるのであれば、そりゃもう大変便利であろうと。

ちょっと脇道にそれるが、「大変便利だ」と書いておきながら、じつは僕はご飯を炊くという行為自体が好きであり、わざわざ灯油より更に難易度の高い焚き火で美味しいご飯を炊く、というようなことにエネルキーを費やし一人ほくそ笑むタイプの人間だったりする。

さて、単3アルカリ乾電池に詰まっているエネルギーは、だいたい2キロカロリーである。重さを測ってみると22グラムであった。15グラムに減量するために単3乾電池を削って70パーセントの大きさにした場合、ご飯は何合炊けるであろうか?ここでは、「アルカリ乾電池は内部抵抗が高いからそんなに大電流は流せないぞ」という類のより専門的な考察は、あえて切り捨てることにする。知りたいのは、様々なモノに蓄積されたエネルギーの大局観であるからして。さて、計算結果はというと、0.009合である。小さじ半分のご飯である!

 

友人への答えは、「どんなに大量に乾電池を使っても、残念ながらお腹いっぱいになるご飯は炊けないよ」、となる。煮炊きをしたり暖を取ったりする用途には、まったくもって乾電池は、カセットガスやホワイトガソリンや灯油には太刀打ち出来ないということである。15グラムの灯油で1合のご飯が炊けるのに対して、かたや15グラムのアルカリ乾電池ではたったの小さじ半分のご飯しか炊けないのだ。

さらにこんな話も見えてくるのだが、上の比較図を見てみると、携帯電話に使われているリチウムイオン充電池は、アルカリ乾電池の2倍のご飯が炊ける。「携帯電話ってコンセントがないと充電できなくて困るし、もし乾電池で動く携帯電話があれば超便利なのになぁ」なんて思ったことがある人もいると思うが、ご飯が半分しか炊けないから、いや……通話が半分しか出来ないから製造されなということだよね。

Monday, November 15, 2010

ご飯を炊くエネルギー その8 太陽電池

大地を温め、雨を降らし、生命を育む。地球が活動するエネルギーは、親子161代にわたり歩み続けなければ辿り着けない、遙か遠く離れた太陽からの強烈な光がもたらしている。太陽が忽然と姿を消したなら、地球は冷え切り、静寂だけが支配する世界に一変する。

太陽光線のエネルギーは大地を温めるが、その熱はやがて宇宙空間に放射され逃げていく。陽だまりの中で温められた体も、太陽が雲に隠れれば急速に冷えていく。熱エネルギーは常に温かい場所から冷たい場所へと流れていくので、太陽光線のエネルギーが熱エネルギーに変化しても、それを貯蓄することはできないのである。

ところが植物という奇跡の生命体は、太陽光線のエネルギーを、貯蓄と移動が可能な炭水化物という別の形のエネルギーに変換することができる。植物はその体内に炭水化物を蓄え自身の活動エネルギーとし、餌となることで動物に活動エネルギーを提供し、地中に埋まり石油となることで人類に活動エネルギーを提供する。現代まで人類は、膨大に消費するエネルギーのほぼ全てをこの植物が過去に蓄えたエネルギーに頼り切っていた。20世紀に入りとうとう人類は、太陽光線のエネルギーを植物に頼らず直接に電気エネルギーへと変換する技術を発明した。半導体で出来た太陽電池である。

太陽電池が発明されたのはかなり古く、基本原理は1839年に、日本での量産は1960年代に始まっている。自然を壊し続け何か良くないことをしていると感じ始めても、しっぺ返しを食らって痛い目に合わないとなかなか重い腰が上がらないもので、ここ数年でようやく太陽電池の本格的な量産を狙った開発が急ピッチに進んだ。増えすぎた人口を間引くことができない以上、テクノロジーが破壊してきた自然は、さらに進んだテクノロジーで救うことしか出来ない。そんな地球を救うテクノロジーの1つが、太陽電池パネルである。

15グラムの太陽電池パネルで炊けるご飯の量を計算してみよう。太陽電池パネルとしては、アウトドア用の折りたたみ可能で軽量なシート状のものと、一戸建てやビルの屋根に取り付ける長期耐久性を考慮した頑丈で重いものがあるが、ここでは石油に変わるエネルギー源として期待される後者で計算してみようと思う。少し脱線するが、一戸建てやビル用の太陽電池パネルには長期耐久性があるとは言いつつも、高価な太陽電池パネルを買ってたしか10年ほど使えば電気を売ることで元が取れるとのことだが、まだ10年以内の不良発生率が10%程度はあるということらしく、まだまだ20年30年使い続けるには課題が多く残っているようだ。

さて、少々乱暴な展開とはなるが、その家庭用太陽電池パネルを15グラムとなる大きさまでぶった切り、ご飯を炊いてみるとしよう。

国産のあるメジャーな太陽電池パネルは、公称最大出力が215ワットで重さは15キログラムとなっている。したがって15グラムになるよう単純に1000分割すれば、受光面積も1/1000になるので0.215ワットの発電能力となる。その大きさは3.6センチメートル×3.6センチメートルと、手のひらにすっぽり入るサイズ。携帯電話に付いている太陽電池パネルほどか。ご飯を1合を炊くために必要な加熱時間は、おおよそ16分。鍋の水が沸騰するまでに8分かかり、ご飯が炊き上がるまでさらに8分。この16分間に15グラムの太陽電池パネルが発電できる電力を熱エネルギーに変換すると、0.049キロカロリー。ご飯を1合炊くのに必要なエネルギーは160キロカロリー。したがって0.046グラムのお米を炊ける計算となる。お米1粒が0.022グラムなので、お米2粒である。

 

米2粒しか炊けないなんて、なにやら計算間違いをしているような気にもなってくるが、実際に太陽光線のエネルギー密度はそれほど高くない。15グラムの太陽電池パネルの大きさは3.6センチメートル×3.6センチメートルだから、もしそんな小さな面積に日光が当たるだけで1合ものご飯が炊けるほど太陽光線が強力だとしたら、日光浴などしようものなら大火傷を負うこと間違いないだろう。すなわち、どんなに太陽電池パネルが高性能化しても、車の屋根に取り付けただけでは、面積が足りなくて車は走らないということだ。また、携帯電話はお米を小さじ一杯分だけ炊けるエネルギーを持つ15グラムの電池で動いているが、電池の代わりに米2粒だけ炊ける15グラムの太陽電池を携帯電話に貼りつけても、通話は無理である。さらに、都市への電力供給を賄えるほどの太陽光発電には、広大な面積の土地が必要だということだ。しかしながら、日本にいてはなかなか気がつかない発想だが、砂漠は広大であり、雨も降らずにギラギラと太陽が照りつけ、生物の影も薄いので、太陽電池パネルの設置に使わない手はない。世界中の電力をまかなうには、サハラ砂漠の45/1の面積に太陽電池パネルを取り付ければよい計算になる。

将来世界が全面的に石油エネルギーから脱却して石油が売れなくなっても、中近東の石油産出国は広大な砂漠をも抱えているから、砂漠で発電した電力を売れば引き続き安泰であると思われる。砂漠が金の卵になるとは、今まで予想だにしなかったことであろう。今はまだ太陽電池は熱に弱く灼熱の砂漠での耐久性が足りないという問題があるが、そこはいずれ技術でカバーされるはずだ。ところで、砂漠一面を太陽電池で覆ってしまうというのは、本当に気象や何がしかの生態系に影響を及ぼさないのであろうか?おそらく、森林に覆われた自然を破壊するよりは、不毛と一言で片付けられている砂漠を覆ってしまったほうが、総合的には良い結果になるということになるのだろう。

さて日本はというと、森を太陽電池で覆ってしまうと森は死んでしまうわけで、エネルギーを輸入に頼らず自国で確保するとなると、太陽電池以外の技術を生み出さなければならない。アメリカは太陽電池パネルを敷き詰められる広大な砂漠を抱えているし、ヨーロッパは電力網をアフリカと接続して、サハラ砂漠から電力を供給するという計画がある。さて日本の計画はというと、いつものごとく政府の戦略は聞こえてこない。頑張れ、日本……。豊富な海に囲まれているから海流で発電するという研究もなされているけど、海水の中で機械を動かすわけだから、構造が単純な太陽電池に比べるとかなり難易度が高い。

太陽電池の主要成分であるケイ素は、地球の15%を占めると言われている。もちろん土の中からケイ素を含む岩石を掘り出して太陽電池にするまでには大量のエネルギーを消費するけれど、太陽電池で作り出した電力で太陽電池を作るということを繰り返せば、単純に考えると環境への負荷は少ないまま無尽蔵の材料からいくらでも太陽電池が作り出せるはず。たった100年の技術進歩で人類はほとんどの自然を破壊してしまったが、次の100年の技術進歩できっと修復できると信じたい。

Sunday, November 7, 2010

ご飯を炊くエネルギー その7 水素

スペースシャトルの歴史がそろそろ閉じようとしている。まだ最後のフライトとなる日は確定していないようだが、来年には引退となるようだ。一度でいいからケネディ宇宙センターで打ち上げの瞬間を見てみたかったのだが、どうやら叶いそうにない。全部で3機残っているスペースシャトルのうちの1機であるディスカバリーは、いま水素燃料漏れと外部燃料タンクの断熱材に亀裂が見つかったため打ち上げ延期となっており、予定通りに行けば今月末でラストフライトとなるようだ。

そう、「水素燃料漏れ」と書いたように、スペースシャトルで使われている燃料は水素である。ちなみに日本のH2-Aロケットに使われている燃料も水素。ではなぜ水素が使われているのか?ロケット工学は複雑であり、専門家でもない僕が理由を簡潔に説明するのはかなり無理があると思うが、あえて説明してしまおう。なぜ水素が使われているのかというと、様々な種類の燃料の中で、同じ重量を燃やした時の発熱量がもっとも大きいからである。言い換えれば、同じ力を出せるのであれば、より軽い燃料を積んだほうが良いということ。人間に例えれば、マラソンをするのに1,000キロカロリーが必要だとして、そのエネルギー源として950gのうどんを食べてから走るより、180gの高カロリーなチョコレートを食べてから走るほうが、体が軽くて楽だということだ。そしてロケット全般に言えることだが、スペースシャトルの重量はそのほとんどが燃料なのである。あのスペースシャトルが腹に抱えてる円筒形の巨大な物体は、ロケットではなくて単なる燃料タンク。燃料を打ち上げるために、その燃料を燃やしてロケットエンジンを噴射させているようなもの。だからそのぶん燃料は軽いほうがいい。

ではなぜ、様々な燃料の中でも、同じ重量を燃やした時に水素がもっとも発熱量が大きいのか。それは水素を構成する基本粒子である水素原子が、宇宙一軽い原子だからである。空気よりも軽く風船に詰めると空中に舞い上がるので、1937年にアメリカで爆発炎上したヒンデンブルク号というドイツの飛行船には、水素がぎっしり詰まっていた。水素が燃えるというのは、水素原子と酸素原子が結合して水になり、その時に熱を発生するという反応である。同じように、冬に大変便利なホッカイロは鉄が燃えることで熱を出しているが、鉄原子と酸素原子が結合して酸化鉄になり、その時に熱を発生するという反応である。水素も鉄も同じように酸素と結合して熱を出すという仕組みであるにもかかわらず、水素原子は鉄原子と比べて遥かに軽く1/56の重量なので、同じ重量であれば水素原子の数の方が鉄原子よりも56倍も多いことになり、同じ重量を燃やせば水素のほうが鉄よりも多く熱を出すということになる。

では、その水素15グラムでご飯が何合炊けるのか?水素の単位重量あたりの発熱量は灯油の約2.7倍であり、灯油15グラムで1合のご飯が炊けるので、水素15グラムでは2.7合のご飯が炊けることになる。


このようにガソリンやガスなどの石油系の燃料とくらべて重量あたりの発熱量が多いことや、燃えても二酸化炭素や有害物質を一切排出せずに水しか出さないことや、最近のエコブームで水素自動車などが話題に挙がっているのを聞くと、とても環境に優しい完璧な夢の燃料に聞こえてくるが、実際はそうそう簡単にはいかないものである。

石油は大地から掘り出し精製するだけだが、水素は掘れば出てくるようなものではないので、大量のエネルギーを使ってまず作り出さなければならない。その水素を作るエネルギーが問題で、石油を燃料とした火力発電所の電気エネルギーを使って水素を作り、その水素で車を走らしたのでは、結局のところガソリンを使って車を走らすのと環境負荷的には大して変わらないということになる。したがって、二酸化炭素を排出しない太陽電池発電所や水力発電所の電気エネルギーで水素を作るとか、または太陽の光で育てた植物からアルコールを作り、そのアルコールを分解して水素を作るなどしないと環境負荷が軽減されないことになる。分かりやすく例えるならば、石炭をいい加減に燃やして二酸化炭素や有害物質をガンガン排出しながら発電した電気エネルギーで水素を作っていては、いくらその水素で自動車を走らして水しか出ませんと言ってみたところで、まったくエコではないということ。水素は結局のところ、高圧送電線で送られる電気エネルギーのように、ある場所から違う場所へとエネルギーを運ぶ媒体でしかないということだ。上手に自然エネルギーを使って水素を作り出さなければならないし、作り出した水素は電気と違って自動車などで運ばなければならないので運搬するエネルギーも勘定に入れなければならず、さらに液体水素は室温でどんどん蒸発してしまうので早く使いきらないと無くなってしまう。

また、水素は室温だと気体なので、そのまま容器に入れて運んでみたところで、ほんの僅かな重量しか運べない。紙袋に空気をいれて運ぶのとなんら変わらないどころか、空気より水素は軽いので空気以下の重量しか運べないのである。それではまったく使いものにならないが、水素は-253度まで冷やせば液体になり体積が1/800に減るので運びやすくなる。だからスペースシャトルは燃料タンクに液体水素を入れている。だけど液体水素は-253度以上で沸騰して気体になってしまので、魔法瓶にでも入れて断熱しておかないと、あっという間に蒸発して無くなってしまう。魔法瓶じゃあまりに重いので、スペースシャトルは発泡断熱材でお腹に抱えた外部燃料タンクを覆っている。まあ発泡スチロールで冷やしたペットボトルを囲んで保冷しているみたいなものである。だけれどこの発泡断熱材が脆く、振動でボロボロ剥がれるものだから、剥がれた破片がスペースシャトルの翼に当たって破損させ、コロンビア号の空中分解という大惨事になってしまった。冒頭に書いた、「外部燃料タンクの断熱材の亀裂が原因で打ち上げ延期」というのは、このような訳でNASAにとってはとても頭が痛い問題なのである。まあどのような方法をしても、-253度の液体水素は、石油に比べて持ち運びや保存が非常に厄介だということだ。

ちなみに、1969年に人類を初めて月に送ったNASAのサターン5型ロケットは、燃料が灯油である。ちょっと驚きませんか?

Thursday, November 4, 2010

ご飯を炊くエネルギー その6 太陽

太陽のエネルギーを計算してみよう。

あまりにも身近な存在である太陽。薄暗い冬空の下で寒風に吹かれ凍えていても、突然雲を割り顔をのぞかせた太陽の光を体に浴びるだけで、たとえそれが衣服を通した間接的な接触であっても、瞬く間に冷えた体に熱が伝わり生き返る。こんなにも強い熱を感じることが出来るのだし、太陽はあまり遠い存在ではないような気がするが、いったいこの地球からいったいどのぐらい離れているのだろうか?

地球から太陽までの距離は、約1億5千万キロメートルだという。これだとピンと来ない。

地球から太陽までの距離は、地球の直径の約1万2千倍だという。地球をグルっと一周歩いたことはないから、これもいまいちピンと来ない。

では太陽まで歩いたら何日かかるだろう?計算してみると、人生80年として、161回分の人生を毎日8時間歩けば辿りつくようだ。なるほど、少し分かったような気にはなってくる。いずれにせよ、天竺より遠い遥か彼方の遠方である。こんなに遠く離れた場所で燃えていても、体が瞬時に暖まるほどの熱線を感じることが出来るのだから、太陽はどんなに激しい燃え方をしているのであろうか。

太陽は、木や石油が燃える現象とはまったく異なる仕組みで燃えている。太陽は核融合反応で燃えているのである。核融合反応というのは、原子力発電所や原子爆弾で利用されているウランやプルトニウムの核分裂反応と似てはいるが異なる反応である。

似ている部分とは、木や石油の燃焼のように一般的に物が燃えるといわれる現象が物質の基本構成要素である原子の組み合わせが変化するだけであるのに対して、両者共に原子自体が違う原子に変化する核反応であるというところだ。木や石油が燃焼する時に原子の組み合わせが変化するというのは、例えば、酸素原子・炭素原子・水素原子が組み合わさった木が燃焼すると、水素原子・酸素原子が組み合わさった水と、酸素原子・炭素原子が組み合わさった二酸化炭素に分解するということである。一方で原子自体が違う原子に変化するというのは、例えば、温度計に使われている水銀の原子が原子核崩壊して金の原子に変わることであり、金を人工的に作りだす錬金術と同じで日常生活ではあまりお目にかかることがない。

異なる部分とは、文字通りに分裂と融合である。核分裂反応は、ブヨブヨと振動している柔らかめのおにぎりがウランの原子だとすると、勢い良く飛んできた米粒が衝突しておにぎりが二つに分裂し、クリプトンやバリウムなどの全く異なる原子に変化すると共にエネルギーを放出する、というようなイメージである。まあかなり比喩的な表現ではあるけれど。それに対して核融合反応は、米粒1つで出来ている水素原子に別の米粒が勢い良く衝突してくっ付き、ヘリウムという名の別の原子に変化すると共にエネルギーを放出する、というようなイメージ。

核分裂反応は核融合反応に比べれば簡単に起こせるので、すでに原子力発電や原子爆弾に利用されている。何故かと言うと、ブヨブヨと振動してる柔らかいおにぎりだからとても壊れやすくて、ある分量以上のおにぎりを一箇所に集めておけば、勝手に核分裂反応を起こし始める。あるおにぎりが分裂して複数の米粒が弾け飛ぶと、弾け飛んだ米粒が衝突した近隣の複数のおにぎりがまた分裂して、そのとき弾け飛んだ米粒がまた別のおにぎりに衝突して……というように連鎖反応でねずみ算的に分裂するおにぎりが増加して、瞬く間に全てのおにぎりが分裂して一気にエネルギーを放出してしまう。このある一定量以上を集めるだけで自然に核分裂反応が始まるという単純なメカニズムが、いわゆるならずもの国家にウランが流出すると、技術力がなくとも核兵器の製造が可能であるという懸念に繋がるのである。

ところが核融合反応はとても難しい。多少無理が出てくるが引き続きおにぎりに比喩を求めると、米粒同士はお互いに反発しあう強い力を持っていて、米粒同士をくっつけるにはその反発力に打ち勝つだけの莫大な力と熱で圧縮しなければならない。原子爆弾の核分裂反応が作り出す瞬間的な力と熱で、僅かな時間だけ爆発的に核融合反応を起こすことには、水爆として成功している。しかしながら平和利用の発電用として永続的にゆっくり燃え続けるミニ太陽を地上で再現することには、何十年も研究を続けているが今だに実現していない。太陽の中心は1千500万度、2千500億気圧という想像を絶する環境なので、この核融合反応が起きているのである。

少し話が脱線するが、ここに僕は「太陽の中では核融合反応が起きていて……」と、まるで実験室で観測した結果判明した明確な事実のように書いているが、いまだかつて誰も太陽まで行って調べてきたことはない。それでも人類は、相対性理論や量子力学を生み出すことにより、遥か彼方の太陽中心で起きている現象を解明してしまうのだから、「考える」という能力は奇跡であるとしか言いようがない。

太陽の核融合反応は主に陽子-陽子連鎖反応であり、水素からヘリウムへと変化する際に、質量の0.7パーセントが失われてエネルギーに変換される。したがって15グラムの太陽を持ってきてご飯を炊くと、太陽が0.105グラム軽くなって、その分だけ熱が発生する(実際には、15グラムだけではあまりにも軽すぎて太陽として燃えないのであるが、核融合のスケールを知るのが目的なのでご愛嬌)。その0.105グラムから発生する熱は、
の式でもとまり、答えは22億5千800キロカロリー(2,258,000,000キロカロリー)となる。ご飯を1合炊くのに必要な160キロカロリーで割れば、朝昼晩と1合ずつ食べて、人生80年生きるとして、人生161回分のご飯が炊けるのである!


地球の33万倍も重い太陽がこれだけ激しく燃えているのだから、161回分の人生をかけて歩かないと到達しないほど遠く離れた太陽から届く熱が、まるですぐ傍らで燃える焚き火のように暖かく感じられることが納得できる。

しかし、15グラムの太陽で炊けるご飯が、人生161回分。そして太陽までの距離が人生161回分!もしかして、何か新しい物理法則を発見したのか!なわけがない、ただの偶然……。

そして、ウランの核分裂反応よりも太陽の核融合反応の方が、約7倍のご飯が炊けることも分かる。

もし核融合炉が完成したら、燃料の重水素は海に無尽蔵に存在する。原子力発電所で使われるウランのように、100年以内に使い果たしてしまうというような心配がなくなる。もし核融合炉が完成したら、原子力発電所が持つどんなに技術が進んでも拭い去ることのできない不安感が払拭される。なぜならば、核融合は高温と高圧力を維持しないと反応が続かないので、もし核融合炉が壊れても反応がストップするだけで暴走することがない。原子力発電所の、暴走した核燃料が地面を溶かしてアメリカから地球の反対側にある中国まで落ちていくという、チャイナ・シンドロームのような揶揄がなくなる。もし核融合炉が完成したら、生成される放射性物質も、原子力発電所と比較すれば遥かに弱い。まさに夢の技術なのであるが、やはりミニ太陽を人工的に地球上で再現するのはとても難しいのである。もし完成することがあれば、人間の精神は神もしくは宇宙の神秘といわれる領域に近づくのかもしれない。

Saturday, October 23, 2010

ご飯を炊くエネルギー その5 隕石

ご飯を単位にして様々なモノが生み出すエネルギーを比較してきたが、反物質という究極のエネルギー源となるものを取り上げて、その15グラムという質量または存在自体を全てエネルギーに変換してしまった。もうこれ以上スケールの大きな面白い話はなさそうだ……と、少し寂しく思っていたが、まだありそうだ!隕石である。

恐竜が絶滅した原因は巨大隕石だ、という説が現在の主流となっている。隕石ではなく小天体と言ったほうがしっくりいきそうな直径10キロメートルもの巨大な隕石が、アメリカ大陸のユカタン半島に落下したのであるが、それでも地球の直径1万2千700キロメートルと比較すればちっぽけなゴミである。地球を東京ドームの大きさだとすれば、サッカーボールを投げつけるようなものである。そのちっぽけなサッカーボールが、なぜ東京ドーム一面に散らばって生息している全ての恐竜を絶滅させるだけの大惨事を引き起こす事ができるのであろう。その答えは速度にある。

酔っ払って歩いてコンクリートの壁に頭から激突したら、まあ経験したことはないのであるが、タンコブが出来て目茶苦茶に痛い、下手したら血が吹き出て病院に運ばれ縫う羽目になるであろうことは想像に難くない。おおよそ人間の歩く速度は時速4キロメートルであるが、では10倍の時速40キロメートルでコンクリートの壁に激突したらどうなるだろう。衝突エネルギーは速度の2乗に比例するので、速度が10倍早くなれば、
で、衝突エネルギーは100倍になる。100倍……、頭を割って死ぬと思われる。たった時速40キロでこうなのだから、さらに早く走るクルマに乗るときには、いかにシートベルトが重要なのかが良く理解できる。速度が100倍になったら衝突エネルギーは1万倍(10,000倍)、速度が1,000倍になったら衝突エネルギーは100万倍(1,000,000倍)、速度が10,000倍になったら衝突エネルギーは1億倍(100,000,000倍)という具合に、加速度的指数関数的ねずみ算的上昇となる。

では恐竜を絶滅させた隕石の速度は如何程であるかというと、それはもう宇宙的な速度であり、だいだい時速7万2千キロメートルぐらいであったろうと計算されている。これは東京駅から出発して川崎駅までたったの1秒で着いてしまうという、想像の域を遥かに超えた速度なのである。これってもう人間の感覚からすると、ほとんどテレポーテーションだよな。

では、15グラムの隕石が衝突したら、そのエネルギーで何合のご飯が炊けるか計算してみよう。15グラムの隕石では地球に落下しても小さすぎて大気との摩擦で蒸発して地上には届かないので、国際宇宙ステーションのような宇宙船に衝突することとする。計算は単純であり、運動エネルギーを表す式は
である。物理学の世界で基準となる単位は、質量がキログラムで長さがメートル、時間が秒であるので、15グラムと時速7万2千キロメートルを単位変換して上の式に代入すると、
となる。[J] はジュールというエネルギーの単位であるが、これを普段の生活で馴染みのあるキロカロリーという別のエネルギー単位に変換するために4,184で割ると、720キロカロリーとなる。これをご飯を1合炊くのに必要な160キロカロリーで割ってあげると……、なんだ、意外と平凡、4.5合のご飯が炊ける。


もしあなたが2,000万円払ってスペースシップワンに乗り込み宇宙旅行をしている最中に、幸運にも15グラムの隕石と衝突した場合、隕石がめり込んでブスブスと真っ赤に煮えたぎっている穴の中に鍋をかけるとご飯が4.5合炊けます。是非お米を持参しましょう!

でも、「たったのご飯4.5合か、大したことないジャン」、なんて思うなかれ。宇宙船は立派に大破します。地上だけではなく宇宙にもごみ問題が発生しており、ロケットや人工衛星の部品などの人間が宇宙に捨てた大量のごみが地球の周りを回っていて、国際宇宙ステーションや高価な人工衛星にぶつかり破壊することが大きな問題となっています。みなさん、ゴミは持ち帰りましょう!

Saturday, October 16, 2010

ご飯を炊くエネルギー その4 反物質

スイスとフランスの国境をまたぐ地域の地下100mに、世界征服を企てる研究者達が合体ロボの開発に日々取り組んでいる、CERNという秘密地下研究所があるのをご存知だろうか。合体ロボはこの研究所で作り出される反物質をエネルギー源とし、その威力は鉄腕アトムの原子力エネルギーより1,000倍強力で……。

CERN研究所(欧州原子核研究機構)は、年間約1,000億円もの巨大な予算が投じられて、20ヶ国により共同運営されている。いったいここで何が研究されているのであろうか。ここでおこなわれている素粒子物理学研究のあまりにもエキゾチックな世界を、ご飯を炊くエネルギーを通して垣間見てみようと思う。

反物質という言葉をSF小説や映画の中で聞いたことがないだろうか。宇宙戦艦ヤマトの波動エネルギーやUFOの反重力装置は空想科学であるが、反物質は実在する。ところが実在するにもかかわらず我々の周りに反物質は存在せず、人間が宇宙の真理を追求した結果その存在を数式から予測し、極々まれに宇宙から地上に飛来してくる反物質の粒子を発見してその存在を確認したという、なんともエキゾチックな物質なのである。そしてついに1995年、人類は英知を結集し、CERNで反物質を人工的に作り出すことに成功する。

反物質は、我々の周りにある通常の物質とは電荷、すなわち電気的な性質が全くあべこべであるが、その他の性質は同じである。そして反物質が通常の物質と出会うと、通常の物質もろともその存在が消滅し、同時に莫大なエネルギーを放出する。この「消滅」という現象は、日常生活では目にすることが無いあまりに特異なものである。目の前に置かれた100円玉が、ある日忽然と姿を消すことがあるだろうか?木は燃えて無くなるが、あれは水と二酸化炭素に分解されて空気中に飛散しただけであり、それらすべてを捕獲して重さを測れば、燃やす前の木と燃やすときに消費した酸素を足し合わせた重量になる。車が錆びていつの日か無くなるのも、たんに錆びて細かい塵になり風に飛ばされて分散するだけのことである。ところが反物質の「消滅」は、完全にその物質の存在がこの世から失われ、その代わりとしてのエネルギーが生まれる。質量がエネルギーに変換される、すなわち質量とエネルギーは等価であることを導き出したのは、かの有名なアインシュタインである。

さて、ご飯を1合炊くのに15グラムの灯油が必要であるが、同じ15グラムの反物質をCERNで作ってご飯を炊き比較してみよう!……無理である。現在の技術ではどんなに頑張っても反物質の原子をたかだか1秒間に数万個作れるだけであり、15グラム用意するには数千億年はかかる。しかも通常の物質と出会うと瞬時に消滅するのであるから、入れる容器がこの世に無い。でも反物質という宇宙の神秘がどの様なものなのか、感覚的に理解したいではないか!反物質を15グラム用意しよう。

アインシュタインの方程式として有名な
は、
 
であり、反物質15グラムと一緒に消滅する通常の物質15グラムを足し合わせた30グラムをこの式に代入すれば、反物質15グラムが消滅した時に放出されるエネルギーが、6千450億キロカロリー(645,000,000,000キロカロリー)であることが計算される。ご飯を1合炊くのに必要な160キロカロリーで割ると、40億合(4,000,000,000合)のご飯が炊けることになる。朝昼晩と1合づつ食べて、人生80年として、人生4万6千回分(46,000回分)のご飯……。う~む、もう想像の域を超えていてピンとこない数字である。 370万年分のご飯であるから、もし時間を遡るならば、なんと初期人類のアウストラロピテクスに会うことが出来る。


「世界とは何であるか」と哲学し、ついにはこの反物質を創りだすまでに至ったわずか1,400gの人間の脳には、ただただ驚愕するばかりである。

Sunday, October 10, 2010

ご飯を炊くエネルギー その3 ウラン

さらに話を膨らませてみよう。実験と計算から、15グラムの灯油では1合のご飯が炊けるが、同じく15グラムのリチウムイオン充電池では小さじ1杯のご飯しか炊けないことがわかった。原子力エネルギーではいかほどか。

原子力発電所や原子力潜水艦、原子力空母、原子爆弾、宇宙探査機などで使われている原子力エネルギーは、土の中から掘り出したウランやプルトニウムという物質を燃料にしている。そのウランが出すエネルギーは1グラムで1千960万キロカロリー(19,600,000キロカロリー)である。これまたピンとこない数字だなぁ。

では前回同様に15グラムのウランで炊けるご飯の量を計算してみよう。話は単純である。ご飯を1合炊くのに必要なエネルギーは、玄関先の実験から160キロカロリーであることがわかった。したがって
を計算してみればよい。なんと183万合のご飯が炊けて、1人の人間が朝昼晩と1合づつ計3合のご飯を1日に食べ人生80年生きるとすると、人生21回分のご飯となる!驚愕である。


人類絶滅の危機を招くにもかかわらず核ミサイルや原子力空母や原子力潜水艦などの原子力エネルギーを利用した軍事兵器を止めることができないのも、チェルノブイリなどの凄惨な事故の影が常に付きまとうにも関わらず原子力発電所の利用や開発を続けているのも、このようにほんの僅かな量のウラン燃料からとてつもなく莫大なエネルギーが取り出せるからである。

原子力は人類史上いや地球史上前代未聞の破壊能力を持つエネルギーであるが、視野を広げて宇宙に目を向ければごくごく普通の自然現象である。まさに太陽は原子力エネルギーで真っ赤に燃えたぎっている。人間が哲学的に宇宙の真理にまで頭を巡らせる能力を持ってしまった以上、原子力エネルギーの発見は遅かれ早かれ到来したのである。英知をさらに発達させて倫理的・技術的に完全なコントロールの術を学習し、完全に平和で安全な利用を成し遂げられる日が来ることを願いたい。

Thursday, September 30, 2010

ご飯を炊くエネルギー その2 充電池

1週間以上の長期キャンプをする時には、食事を作るのに灯油を燃料としたバーナーを利用する。灯油は僻地であっても世界中で比較的容易に入手可能であり、燃料として一番安く、氷点下であっても強い火力が得られるというメリットがあるからだ。しかしながらそのメリットと引き換えに、バーナーに着火するまでにかなり面倒な手順と時間を要するという難点がある。まず灯油のボトルに付いている空気ポンプを十数回ポンピングして、ボトル内を加圧する。次にバーナー内に灯油をわざと少量漏らして火を付け、バーナー全体を暖める。十分暖まったところで灯油をバーナーに送り込むと熱で気化して噴出するので、着火して安定した青い炎になるまでしばらく待つ。準備を始めてから実際に使えるようになるまで、5分から10分はかかる作業だ。

1週間以内の冬季を除いたキャンプであれば、着火するのが遥かに簡単なガスカートリッジ式のバーナーを使ってもよい。ガス栓を捻って火花を飛ばすボタンを押すだけで、ライターのように着火できる。しかしながら専用のガスカートリッジはアウトドア用品店に行かないと買えないのでキャンプをするような田舎や山では入手できず、また値段もかなり高く、氷点下では火力がとても弱いというデメリットが伴う。それにこれは灯油バーナーにも言えることだが、不安定に風が吹く外での調理は火力調節が難しく、かなり慣れていてもまれにご飯を焦がしてしまうようなことがある。

灯油やガスよりも使い勝手のよい新しいバーナーを、電池をエネルギー源にして作れないものかと友達に聞かれたことがある。その発想は確かに理解できる。電気であれば、スイッチひとつ入れるだけで電気炊飯器のように自動制御で焦がすようなことがなくご飯が簡単に炊けるだろうし、太陽電池シートを持っていけば充電できるので長期キャンプの際には燃料の入手で頭を悩ましたり大量の燃料を持ち運ぶ必要もなくなるし、乾電池も使えたらさらに便利だ。

ではその実現可能性を検討してみよう。先に我が家の軒先で実験をしたところ、ご飯を1合炊くのには灯油を15グラム消費することがわかった。そこで比較のために、同じ15グラムの電池でご飯を炊いてみることにする。

僕が使っている携帯電話のリチウムイオン充電池がちょうど15グラムだったので、これでご飯を炊いてみる事にしよう。しかし、電池で動く炊飯器なんていったいどこで売ってるのかって?心配無用。電池に記載された表示をよく見てみると、そこには「3.7V 830mAh」と書かれている。これがこのリチウムイオン充電池に詰まっているエネルギー 量を表す数字なのである。これじゃあなんだかよく分からないので、日常生活でよく目にするエネルギー単位のカロリーに換算してみると、2.6キロカロリーとなる。それでもやっぱりピンとこないよね。この15グラムのリチウムイオン電池のエネルギー2.6キロカロリーと、15グラムの灯油を燃やしたときのエネルギーを比較してあげれば、15グラムのリチウムイオン電池で何合のご飯が炊けるのか計算できることになる。さて御立会い。いったいどのぐらいのご飯が炊けるのか。なんとたったの小さじ一杯分である……。灯油やガスのかわりに電池でご飯を炊くことは、物理的に無理であることがわかる。


いま世の中は、化石燃料を使わないエコな電気自動車の話題で持ち切り。一刻も早く普及しないものかと思うし、それならば船や飛行機なんかも石油を使わずに電気で動かせばいいのに、なんて考えてしまう。だがしかし、ご覧の通り15グラムの石油でご飯が1合炊けるのに、15グラムの充電池ではたったの小さじ一杯分のご飯しか炊くことができないのである。言い換えれば石油には大量のエネルギーが詰まっているのである。石油が人類に繁栄をもたらし、人類が石油を手放すことの出来ない理由がここにある。

充電池の中でもっとも性能が良いリチウムイオン充電池は、最近やられっぱなしの日本における残された数少ないお家芸。いまエンジニアが日々必死になってより高性能なものを開発している。でも環境破壊のスピードに対して技術革新のスピードは、間違っても十分であるとは言えません。頑張れエンジニア!地球のために。

Sunday, September 26, 2010

ご飯を炊くエネルギー その1 灯油

僕はカヌーが好きである。何日もかけて野営しながら川を下るのであるが、道中の食料とャンプ道具は全てカヌーに積みこむ。二人用のカヌーを一人で使い、空いたスペースに荷物を詰め込むのだが、積載量に上限が出てくるので、おのずと補給なしで行動できる日数は制限されてくる。テントや寝袋や炊飯道具などは、一泊二日だろうが一週間だろうが同じような装備を使うので、日数が増えても重量が増えることはあまりない。日数に比例して増えるのは、食料と、食料を調理する燃料である。魚を釣って食料を補給したり、焚き火を調理に使って燃料を節約したりすることはある程度できるが、その土地に住みつくのではなく移動しながらの旅であるので、持参した食料と燃料に多くを頼らざるをえない。したがって何日もかけた大掛かりな計画をたてる時には、食料と燃料の重量と体積の計算が重要になってくる。

そこで、ご飯を1合炊くにはどのぐらいの重量の灯油を消費するのか、小雨降る気温20度の秋の夜長に、我が家の玄関先で実験してみた。灯油やホワイトガソリンを燃料とするアウトドア用のバーナーを使い、風を避けるためにバーナーの周りをアルミ板で囲って、チタンのコッヘルでご飯を炊くのに要した灯油は15グラムであった。容積に換算すると約19ccとなる。



朝にご飯と味噌汁を食べる人は、朝昼晩とそれぞれご飯を1合づつ消費し、1日に合計3合を食べると仮定しよう。3合のご飯を炊くのに必要な灯油は約56ccとなるので、1年分となると約21リットルを燃焼させることになる。この21リットルという量は石油のポリタンクに入れると1.2個分であるが、それがいったいいかほどの量なのか、環境負荷の一つの指針である二酸化炭素を基準にして、車の燃料であるガソリンと比較してみよう。

灯油は、製造するときに1リットルあたり約160グラムの二酸化炭素を排出し、燃やすと1リットルあたり約2.5キログラムの二酸化炭素を排出する。ガソリンは、製造するときに1リットルあたり300グラムの二酸化炭素を排出し、燃やすと1リットルあたり約2.4キログラムの二酸化炭素を排出する。

1人分のご飯を1年間炊くのに、灯油を21リットル燃焼させて、約54キログラムの二酸化炭素を排出することになる。同じ54キログラムの二酸化炭素を排出するガソリンは、約21リットルである。

車の燃費をプリウスあたりを基準としてリッター23キロメートルとすると、21リットルのガソリンがあれば420キロメートル走れることになる。なんと東京と静岡県掛川市を往復するだけで、1年分のご飯が炊けるのである。まあ、容易に想像できる範囲の話ではある。四畳半の狭い部屋の中に車のエンジンを設置して7時間もぶん回し続ければ、灼熱地獄となるであろう。その熱でご飯米1年分が炊き上がるといわれれば、納得できるような気がしてくる。

我々日本人は、いや先進国の人達は、いとも簡単に、そして気楽に東京と掛川市の往復などやってのけるが、発展途上国で日々食事を作るために薪を拾い集めている人たちにとっては、食事一年分の価値があると言ってしまっても過言ではないであろう。そして、機械による移動は人間の文明を築き上げた偉大なる発明であり、また壮絶なる破壊であるとも言えよう。