向自然学习，构筑未来，挑战人造光合成 特辑令和2年版科学技术白皮书

向自然学习，构筑未来，挑战人造光合成     特辑令和2年版科学技术白皮书

文部科学省6月总结的《科学技术白皮书》未来预测特辑。 在所描绘的2040年社会中，有可能成为能源技术亮点的是“人工光合成”。 学习植物的光合作用结构，制造对人类有用的物质的热情的工作，日本引领着研究。 多年来，在一线担任旗手的专家极力主张:“为人类摆脱地球资源的采集一边倒，生存做出贡献。”

“地球摆脱吞噬的终极答案” 白皮书的特集，以该省科学技术学术政策研究所( NISTEP，NISTEP )的“科学技术预测调查”(后段为“专栏”)为中心进行了介绍。 在该调查中，人工光合成作为“通过二氧化碳还原进行再资源化(合成燃料和化学原料)的能源效率在20%以上成为可能”添加了进来。 2036年是在研究水平上具有技术前景的“科学技术实现时期”，2039年是可以利用产品和服务的“社会实现时期”。 定位为联合国可持续发展目标( SDGs )提出的17个目标之一“为大家和清洁能源”做出贡献的技术。 人造光合成研究的第一人、东京都立大学特别先导教授井上晴夫先生讲述了其重要性。 人类一直以采集煤炭、石油、天然气等化石能源进行消费的“地球的吃货”生活着。 结果，持续释放二氧化碳等温室气体，面临着气候变化的担忧。 在这种情况下，人工光合成不产生二氧化碳，或者说可以利用来获得有用物质，这是最终的答案。” 井上先生在科学技术振兴机构( JST )的战略性创造研究推进事业个人型研究(先驱)“光能和物质变换”( 2009〜16年度)中担任研究总结等，主导了许多有关人工光合成的大规模研究。

那么人工光合成是什么？ 你还记得在学校学过“光合作用”吧。 这是植物从大气中吸收二氧化碳，从根部吸水，利用叶子等细胞中的“叶绿体”利用太阳光的能量制造淀粉等碳水化合物，发出氧气的反应。 碳水化合物成为植物的身体和营养。 人造光合成是人类学习它，提取有用物质的技术。 井上先生说:“但是，实际进行的研究并不一定要忠实地模仿植物，而是要更加广泛。” 据说人工光合成的条件是以下三个要素。 (1)使用占太阳光多数的可见光，(2)以水为原料，(3)将光能转化为化学能，制造有用的物质。 在这里，充分利用本身不发生变化，促进其他物质反应的物质“催化剂”等。 产生的物质在植物的光合作用中是碳水化合物。 但是，在人工光合成中，制造氢气、过氧化氢、一氧化碳等其他物质并加以利用是现实的。

人工光合成的结构

有时将通过吸收太阳光等光而工作的催化剂称为“光催化剂”。 梦想着实用化，为催化剂开发而奋斗

为了开发高效地利用光、产生有用物质的催化剂，研究者们持续着各种各样的奋斗。 代表性的例子是半导体的催化剂。 今年5月，新能源产业技术综合开发机构( NEDO )等国内的研究小组宣布，虽然不是可见光而是紫外线，但开发出了几乎100%利用光分解水的半导体。 以前甚至达到50%以上都很少见。 作为开辟卓越催化剂开发道路的划时代成果，震惊了世界。 如果再详细观察一下植物的光合作用，可以说是具有负电性质的粒子“电子”移动的现象。 受到光的能量，水放出电子，分解成氢和氧。 放出的电子起作用，以复杂的结构为基础，以氢和二氧化碳为基础生成碳水化合物。 据说正在学习人工光合成中即使不制造碳水化合物，电子也可以利用光能移动的结构。 不仅仅是半导体，将金属离子与各种分子和离子结合而成的“络合物”用作催化剂的研究也很活跃。 井上先生的研究小组的目标是，为了从水中提取光合作用的电子，开发出擅长吸收光的络合物。 到2017年，通过使用常见的金属铝实现了这一点，备受瞩目。 由于可以有效地产生在杀菌、消毒、清洗等方面被广泛利用的过氧化氢，因此似乎可以得到广泛的利用。

将铝的络合物作为人工光合成的催化剂使用，进行分解水的实验的情况(井上提供)

容易利用进行光合成的生物进行改变的研究也在进行。 以上只是努力的一小部分，什么样的技术具体有前途，据说还无法确定。

作为“人工光合成面板”氢社会的王牌 被认为是人造光合成的有力利用形式的是“人造光合成面板”。 表面固定催化剂，用太阳光分解水，产生的氢用于燃料等。 看起来好像会变成太阳能电池板。 这样的话，氢气生产时不使用化石燃料，即使作为燃料使用也会与氧气反应回到水中，所以不会产生有问题的废弃物。 建造排列面板的工厂，生产氢气。 如果让氢气与二氧化碳反应，就可以制造塑料和药品原料“甲醇”“烯烃”等有用的物质。 这样一来，制造业等将被誉为减排的二氧化碳反过来作为资源加以利用，出现了革命性的转变。 井上先生说:“提倡二氧化碳的排出和吸收等量，扣除零的'碳中和’，但是只要利用大气中的二氧化碳，别说是中性，就连碳减少都实现了。” 近年来，用氢气发电和发热的“燃料电池”在一般家庭中也得到普及。 该氢气不是由城市煤气等化石燃料提供，而是由贴在屋顶的人工光合成面板提供，这一点也很有可能。 对燃料电池车( FCV )的利用也备受期待。 以上是创意的一部分。 似乎是开辟日本率先推进的“氢社会”道路的王牌。

人造光合成的活用实例

10月，菅义伟首相在国会发表表明信念的演说，宣言“以实现碳中和、脱碳社会为目标”，并宣布到2050年国内温室气体排放将实际为零。 井上先生强调:“人工光合成对此有很大的贡献。” 技术提炼十年后，现在多样性很重要

10月，菅义伟首相在国会发表表明信念的演说，宣言“以实现碳中和、脱碳社会为目标”，并宣布到2050年国内温室气体排放将实际为零。 井上先生强调:“人工光合成对此有很大的贡献。”

研究人员用“能量转换效率”来表示光合作用的性能。 这是用于求出作为太阳光照射下来的全部能量能够转换并蓄积多少的指标。 据悉，植物大多不到1%，但在人造光合成中，如果是不考虑成本的实验水平，则已经达到1%多。 井上先生说:“2030年通过实验达到10%的势头。” 研究人员们的目标是2050年人工光合成向社会普及。 为此，30年左右有必要缩小有力的技术，40年开始基础设施的整备。 井上先生说:“目前还不能提炼技术，所以研究的多样性很重要。 比如说登山，到什么时候为止进度的目标很重要，但是如果早早决定了登山路线，在那个路线不能通过的情况下就无法前进了。”

对于白皮书介绍的“在2036〜39年达到效率20%以上”的预测，“是相当高的目标。 必须要国家、研究者、国民做好心理准备，做好态势”。 据说，在已经作为可再生能源而熟知的太阳能发电中，效率10%左右的太阳能电池板正在普及。 不过，井上先生说，为了蓄积日照时发电的电力，需要电池，其重量等是实用上的课题。 与此相对，氢气的话容易储藏。 另外，太阳能发电的话，氢气的生产需要一次发电，用其电力电解水的2个阶段的工序。 据说人工光合成的一个阶段，包括系统构筑成本在内的整体效率似乎会更高。 将太阳能发电和人工光合成的技术相结合，也将成为有力的选择。

研究先驱的日本，为世界做出贡献 日本在1967年发现了用光照射氧化钛会分解水的“本多藤岛效应”，从而开创了人工光合成研究的先鞭。 阐明植物光合作用所需的蛋白质结晶结构也是日本发明的成果。 据说处于世界领先地位，研究者也很多。 “只是瑞典、美国等在努力，中国也在追赶上。 如果日本不努力为世界做出贡献的话。 欢迎优秀的年轻人才” 持续站在最前线的井上先生说:“不管怎么说，SDGs能够为人类的生存做出贡献，这是这项研究有趣的地方。 阳光不论程度如何，都洒在地上的任何地方。 人类历史上一直在争夺资源，但只要自己这里能获取的东西足够了，就没有纷争，就能成为真正的安全保障吧。”

对于白皮书介绍的“在2036〜39年达到效率20%以上”的预测，“是相当高的目标。 必须要国家、研究者、国民做好心理准备，做好态势”。

专栏:“预测调查”从国民和专家的呼声中展望未来 加入人工光合成实用化的科学技术预测调查，科学技术学术政策研究所为了对政府的科学技术基本计划的拟定等有帮助，约每5年进行一次。 这次加入科学技术白皮书的是去年11月公布的第11次调查。 在整理了众多国民的讨论和研究者的认识后，可以展望未来社会，似乎谁都会引起兴趣。

调查于1971年度实施。 此次统计的该研究所高级研究员赤池伸一解释说:“当初的性格是'猜中’未来的科学技术，从2000年左右开始发生了很大的变化，变成了从与社会需求的关系进行捕捉，整理专家和国民认识的方式。” 在其性格上，似乎成为了理想的社会中存在的价值。 2015年上次调查后，马上开始了这次的工作。 为了描绘理想社会的未来，以世界、日本社会、地区的未来为主题，迎接市民和海外的评论者，在各地召开了研讨会。 抽出了“谁都是创造者社会”“无国界社会”等日本社会的50个未来像。 另一方面，经过74名专家的讨论，设定了今后研究开发的702个课题。 对各领域的研究者们进行了询问各自的重要度、实现时间等的问卷调查。 为了让他们对问卷有信心地进行回答，采用了要求每人回答两次的方法“德尔斐调查”。 第一次有6697人回答，第二次有5352人回答。 整理这些的结果，形成了“基于人性复兴重新考虑的灵活社会”的基本方案。 文部科学省在将调查结果加入白皮书的时候，独自制作了大型插图。 用愉快的笔触描绘了2040年的人们在街角和生活到处享受远程治疗、即时灾害预测、高级农业机器人等38个梦想的技术和服务的情景。

被载入科学技术白皮书的“2040年的社会形象”的插图(文部科学省提供) 放大图在这里

据悉，调查结果不仅用于行政方面，还被企业用于掌握技术动向、选择年轻人的道路上。 赤池先生说:“请国民加深对科学技术的理解和关心也是调查的重要目的。

井上晴夫 东京都立大学研究生院城市环境科学研究科环境分子应用化学域特别先导教授 1972年完成东京大学研究生院工学系研究科硕士课程。 曾任东京都立大学副教授等职，91年教授，2005年首都大学东京教授。 历任东北大学客座教授、美国佛罗里达大学客座教授、首都大学东京人工光合成研究中心主任等职。 12年特聘教授，18年特别先导教授，20年现任。 研究主题为人工光合成系统的构建、化学反应能共轭等。

赤池伸一 文部科学省科学技术学术政策研究所高级研究员 2008年完成东京工业大学研究生院社会理工学研究科博士课程。 曾任1992年科技厅入厅、文部科学省、驻瑞典大使馆、科技振兴机构研究开发战略中心副中心长助理、一桥大学教授、科技学术政策研究所科技预测中心主任等职，18年现职。 研究主题为科技预测、科技创新政策等。