新しい鉄の時代: 炭素のための金属燃料

May 12, 2023

欧州宇宙機関 (ESA) 2023 年 6 月 4 日

科学者たちは、無重力状態で鉄粉を使用して、ある燃料源から別の燃料源に飛び移る火災の一種である離散燃焼の研究を行ってきました。 燃焼後の残留物は酸化鉄であり、二酸化炭素を発生せず、無限にリサイクルできる物質です。 これらの微小重力実験の後、効率的な鉄燃焼炉が開発され、循環型のカーボンフリーのエネルギー貯蔵施設の創設につながりました。 オランダでは実証プラントが稼働しており、複数の新興企業が工場や産業プロセス向けのこのカーボンフリー燃料を研究しています。 将来的には、この金属燃料は持続可能な月の前哨基地にも使用でき、月の鉱物と氷を使用して推進用の金属粉末と消費用の水を生成する可能性があります。 クレジット: Iron+

研究者らは微小重力実験を利用して、鉄粉の個別燃焼を研究し、カーボンフリーで無限にリサイクル可能なエネルギー貯蔵を実現しました。 これは、地球上や将来の持続可能な月面基地への応用が期待できます。

すべてが燃えます。 適切な環境があれば、酸素を加えることによってすべての物質が燃えることができますが、適切な混合物を見つけて十分な熱を発生させると、一部の物質が他の物質よりも燃えやすくなります。 離散燃焼と呼ばれる火災の種類について詳しく知りたいと考えた研究者たちは、ESA の微小重力実験施設を使用して調査しました。

カナダのマギル大学とオランダのアイントホーフェン工科大学のジェフリー・バーグソーソン教授のチームは、一連の放物線飛行とスウェーデンから打ち上げられた測距ロケットで、無重力下での鉄粉の燃焼を調査した。 彼らの研究は純粋な物理学であり、科学者たちは、炎が燃料を継続的に燃焼するのではなく、ある燃料源から別の燃料源に飛び移る離散燃焼についてもっと知りたいと考えていました。 この形態の火災は地球上で自然に発生することはほとんどありませんが、その一例として森林火災が挙げられます。森林火災では、1 本の木が完全に燃え、温度が十分に上昇して燃焼すると火が次の木に移ります。

この個別燃焼の催眠ビデオは、研究者に最大 18 秒間の貴重な無重力体験を提供するカナダ国立研究センターのファルコン 20 航空機上での放物線飛行実験中に記録されました。 クレジット: Perwaves チーム

無重力航空機やロケット飛行の実験で鉄粉を燃やすと、鉄粒子が浮遊して目立たないように発火することができました。 高速カメラがその光景を捉え、研究者が現象をより深く理解できるようになり、その結果、地球上で燃料が燃焼する理想的な条件を示すコンピューター モデルが作成されました。

鉄は燃える可能性があることをご存知ですか？ ここで見られる鉄粉の燃焼は、完全に無煙、炭素フリーで行われています。 クレジット: TU/e / Solid / Bart van Overbeeke

微小重力研究から得られた新たな理解により、効率的で実用的な鉄燃焼炉の構築が可能になりました。

鉄を燃やす利点は化学によるものです。 基本的に、燃料の燃焼は、酸素原子を追加して材料を変換するプロセスです。 木材、石炭、石油などの炭素ベースの燃料に 2 つの酸素原子が追加されると、炭素ベースの燃料が温室効果ガスである二酸化炭素を生成するのはこのためです。 鉄の場合、燃焼後に残る生成物は酸化鉄であり、一般的には錆として知られています。 二酸化炭素が発生せず、錆びた鉄はガスを発生しないため、簡単に回収できます。鉄を燃やしても有害なガスがまったく発生しません。

鉄サビは水素を使って酸素を取り除いて鉄に戻す加工も可能です。 持続可能な電源からの電気を使用することで、燃料としての鉄は循環的で無限にリサイクル可能なエネルギー貯蔵庫となります。

オランダのアイントホーフェン近郊のブーデルでは、実証プラントがすでに稼動しており、鉄を燃料源として使用するこの発電機は、倉庫に設置されたユニットで 1 MW の蒸気を生成できます。 このような製鉄発電所を大規模化すれば、さらに多くのエネルギーを生産できる可能性があります。

複数の新興企業がすでに、工場や産業プロセスに動力を供給するために、このカーボンフリー燃料を追求しています。

製鉄炉実証プラント。 クレジット: メタロット

宇宙機関が持続可能な月面前哨基地の建設を準備する中、月面の宇宙飛行士にエネルギーを供給することは、克服すべき課題の一つにすぎません。 金属燃料が解決策になるかもしれない。 太陽エネルギーを利用すると、月の鉱物からアルミニウムやシリコンの粉末を生産できるだけでなく、月の氷から水素や酸素も利用することができます。その後、水素を使用して、鉄やチタンを多く含む月の塵を変換して水を生成することができます。そして鉄粉。 水の氷から得られる金属粉末と酸素は、ロケットや陸上輸送の推進剤として使用でき、副産物の水は飲料水としても使用できます。

月探査シナリオのアーティストの印象。 クレジット: ESA-ATG

このプロセスは今では SF のように思えるかもしれませんが、地球上で鉄を燃料源として使用するというアイデアは、ほんの 10 年前に始まりました。 現在、金属燃料コミュニティには世界中の何百人もの科学者やエンジニアが参加しており、代替カーボンフリー燃料の灯台技術となっています。 そう遠くない将来、車や家を鉄で動かすようになるかもしれません。

Metals could be produced using clean energy, such as from solar cells or wind turbines. That electricity is stored as chemical energy in the metal powder at energy densities that are competitive with fossil fuels. This has the potential to reduce greenhouse gasses emission globally, but a barrier to implementing this technology is the development of combustion systems that can efficiently burn the metal fuels, which requires a solid understanding of their combustion physics. Credit: ESA – European Space AgencyThe European Space Agency (ESA) is an intergovernmental organization dedicated to the exploration and study of space. ESA was established in 1975 and has 22 member states, with its headquarters located in Paris, France. ESA is responsible for the development and coordination of Europe's space activities, including the design, construction, and launch of spacecraft and satellites for scientific research and Earth observation. Some of ESA's flagship missions have included the Rosetta mission to study a comet, the Gaia mission to create a 3D map of the Milky Way, and the ExoMars mission to search for evidence of past or present life on Mars." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]">欧州宇宙機関