慶應理工のクラスレートハイドレート研究 エネルギー・環境技術のための Crystal Engineerng

天然ガスの貯蔵やCO₂抽出に役立つクラスレートハイドレート

「クラスレートハイドレートとは、水分子が規則的に並んだ結晶体で、外観は氷に似ていますが、水分子の並び方が氷とは異なります。水分子が隙間なく整然と並ぶ氷と比べて、クラスレートハイドレートは、水分子が多面体のかご状の構造をしています。その構造体内部にゲスト物質と呼ばれる水以外の物質を取り入れた状態で結晶化しているのです」と大村准教授はその構造の特徴を説明する。
水分子とゲスト物質の関係は、子どもの遊びの “かごめかごめ” を思い描くと分かりやすい。中央で目をつぶる鬼がゲスト物質で、手を取り合って鬼を囲む子どもたちが水分子だ。鬼は仲間外れではないが遠巻きに見守られ、誰とも手をつながず、輪の外にも出られない。クラスレートハイドレートにおけるゲスト物質とは、まさにこの鬼のような存在である。

こうした特徴を持つクラスレートハイドレートだが、自然界にも存在する。近年、将来有望な天然資源として期待されているメタンハイドレートも、メタン分子をゲスト物質にもつクラスレートハイドレートである。
氷とよく似たメタンハイドレートは、メタンガスを高密度に貯蔵できる媒体として注目されている。大村さんは、このようなクラスレートハイドレートの貯蔵性を、天然ガスのエネルギー利用に活かす研究に取り組んでいる。
「メタンハイドレートは、水分子 46個に対してメタン分子を 8 個の割合で含む結晶体で、体積比で 170 倍という貯蔵性を実現しています。そこで、ゲスト物質として天然ガスを封じ込めてみようと考えたのが天然ガスハイドレート研究の始まりです。今や実用化の一歩手前まできています。天然ガスハイドレートのメリットは、温度管理の手軽さです。通常、天然ガスは−162℃以下に冷却して液化天然ガス（liquefied natural gas,LNG）として貯蔵・輸送していますが、天然ガスハイドレートであれば−20℃程度で 1/170 に圧縮できます。1/600に圧縮できる LNG と比べると体積は 3.5倍程度増えますが、−162℃以下という極低温の維持管理が不要になるなど、代替技術として有望視されています」。
また、ハイドレート化はゲスト物質を分子単位で閉じ込めることができ、保管が難しい物質や危険物の貯蔵への活用も検討されている。
「すぐれた殺菌作用を持つオゾン（O₃）は非常に不安定な物質で、オゾン分子どうしで反応して安定な酸素（O₂）に変化してしまうため（20₃ → 3O₂）、基本的に貯蔵できません。しかし、ハイドレート化すると分子の形で隔離・保存できるので、長期の貯蔵が可能です」。

クラスレートハイドレートは水とゲスト物質を一緒にするだけでは生成しない。生成には低温高圧という条件が必要で、しかもその条件はゲスト物質ごとに異なる。例えば 0℃の場合、メタンがハイドレート化する条件は 26 気圧（約 2.6MPa）。二酸化炭素（CO₂）は 12 気圧、窒素では 150 気圧以上の高圧を要する。
「こうした生成条件の差を利用すると、特定のゲスト物質を選択的にハイドレート化できます。その応用として注目されるのが、火力発電所の排ガスからの二酸化炭素の分離・除去です。二酸化炭素と窒素から構成される排ガスを水と反応させ、二酸化炭素のハイドレート化に最適な条件を与えて二酸化炭素だけを選択的に固形化させる試みです。現在、二酸化炭素除去技術としてはアミン法＊がありますが、この方法ではアミンという危険物を扱わねばなりません。それに対して二酸化炭素をハイドレート化させる除去方法で使うのは水だけですので、アミン法に代わる方法として有望と考えています」。

クラスレートハイドレートが生成されると水分子は氷状になるが、その温度を5℃から 15℃の範囲でコントロールすることも可能である。この物性を利用する冷房用蓄熱媒体としても期待される。
「現在、大きなビルなどの空調機器が採用する氷蓄熱システムは、夜間電力で氷を作り、その冷気を冷房の熱源としています。ただ、効率の点からいえば 28℃の室温を維持するために必要な15℃の冷風を作るための最適な熱源は10℃前後であり、0℃の氷では温度が低すぎるという指摘があります。実際、熱源を 10℃にすると 4 割程度の省エネ効果が期待できます。ハイドレート蓄熱ではゲスト物質や圧力を管理することで10℃前後の熱源を提供でき、既存の氷蓄熱をはるかにしのぐ効率を有する蓄熱システムを提供できます」。
しかし、問題がないわけではない。クラスレートハイドレートの実用化にはゲスト物質の安全性の証明はもちろん、この技術の原理や仕組みを解明し、その知識を多くの研究者や識者と共有していく必要があるという。
「実用化が見えだした今だからこそ基礎研究にも取り組んでいます。アカデミックの側に立つ者として、また先行する研究者として、特定のエンジニアリング分野に偏らない幅広い視点でこの現象を捉える時期が来ていると考えています」。
クラスレートハイドレートの研究は着々と進められている。

今でこそ理工学部の、それも機械工学科の教員をしていますが、高校時代の私はといえば、数学と物理が大の苦手で、好きな科目は政治・経済や倫理、そして歴史、という社会系が得意な学生でした。 　そんな文系向きの私が理工系に進んだのは父の影響でした。進学先の大学を考えていた時、父に「せっかく専門の先生に出会える機会だから、どうせなら苦手なことを教えてもらったらどうだ」と言われたのです。文系の科目は1人でも学べるが、理系の独学は難しいぞ、という父の言葉が心に響き、なるほどそういうものかもしれないと思ってしまいました。幸いにも数学や物理もテストはそこそこできたので大学は理工系と決め、慶應義塾大学理工学部の機械工学科に進学しました。

大学4年の時、森康彦先生の研究室に入ってからです。当時、森先生は伝熱（熱伝達）の研究をされており、そのテーマの1つがクラスレートハイドレートでした。当時から面白い事象とは思っていましたが、それ以上のことは考えていなかったように思います。その意識が変わったのが、米国のコロラド鉱業大学のE. D. Sloan Jr.教授と出会ってからです。
Sloan先生はエンジニアリングの世界においてずば抜けた業績を持つハイドレート研究の第一人者で、私が修士課程の学生だった時に先生を招いた特別講座がここの理工学研究科で開講されました。2カ月という短い期間でしたが、クラスレートハイドレートを専門に研究されてこられたSloan先生から体系的な知識を学べたのは素晴らしい経験でした。それまで私がしてきたクラスレートハイドレート研究は、伝熱工学分野からの1つの展開の域を出ない研究でしたが、Sloan先生と出会ったことで基礎的な物性についても深く知ることができました。論文を通してではなく、先生を目の前にして直接に教わることで気付いた驚きや可能性は、私自身のその後の研究の方向性に大きな影響を与えたと思っています。
学位取得後もクラスレートハイドレート研究を続けようと考えていたとき、産業技術総合研究所（産総研）のハイドレート分野で若手研究者を求めていることを知り、早速応募しました。産総研のプロジェクトで一緒になった先輩研究者たちは応用物理の専門家が多く、物性の見極めを目標に研究を進めていくというスタイルが主流でした。エンジニアリングの視点を重視する機械工学出身の私にとって、応用物理からのアプローチは新鮮だったことを覚えています。産総研には4年間在籍しましたが、その間、エンジニアリングの視点で対象を見つめながらも、応用物理的なファンダメンタルな研究もするというエンジニアリング・サイエンスを実践できたことは今につながる貴重な経験でした。

体を動かすことですね。長く続いているのがジョギングです。最近では毎日16kmほど、時間にして1時間40分くらい走っています。家が綱島なので、鶴見川沿いを新横浜に向かい、日産スタジアムまで行って戻ってくるという感じです。午後の予定がないときは大学（日吉）から多摩川に出て、川沿いの遊歩道を田園調布まで往復することもあります。趣味というよりは習慣になっている感じもしますが、走っている間に考えをまとめることができるし、逆に迷っているときには走ることですっきりできるなど気分転換になっていると思います。
また、筋トレやベンチプレスもやっています。研究室にベンチプレス用のベンチがあり、森先生の研究室と合同で週に2回のペースで汗を流しています。ベンチプレスでは、持ち上げた重量（より正しくは質量）ではなく、その質量を自分の体重で割って指数化して競っています。私たちはそれをMori数と呼び、研究室のメンバーの多くが，1Mori数、すなわち自分の体重分ですね、それくらいは持ち上げようと競っているところです。私自身が持ち上げられる最大の質量は95 kg。体重は54 kgですので、私のMori数は1.76ほどとなります。
運動以外ではベランダ園芸もやっています。夏から秋の今の季節はハーブの栽培が旬ですね。北海道にいたときにもらったライラックの苗木も大切に育てています。さすがに東京の夏はライラックには厳しく、日陰の涼しい場所に避難させています。ちょっとした気遣いですが、春の訪れを告げる花を楽しむためには欠かせない一手間です。