「電気農業」は暗闇でも植物を育てるのに役立つかもしれない

植物は光合成を利用して二酸化炭素（ _CO2 ）を代謝可能な分子に変換します。しかし、これはこれらの分子を生成できる唯一のプロセスではありません。10月23日にJoule誌に発表された新しい論文では、光合成をまったく行わずに植物が成長できるようにするプロセスを通じて植物に栄養を与える可能性について検討しています。

これが実現できれば、植物は太陽光なしでも育つようになり、論文が「電気農業」と呼ぶものへの扉が開かれることになる。論文では、現在農業が不可能なあらゆる場所（論文では「都市中心部、乾燥した砂漠、さらには宇宙環境」も可能性として挙げている）で作物を栽培できるユートピア的な未来を予見している。また、現在農業に使用されている広大な土地に木を植え直すこともできる。また、宇宙や火星でこの技術を使用する可能性についても推測している。

こうした壮大な目標の背後にある技術は、比較的ありふれたものである。電気分解、つまり電流を使って化学反応を起こす技術である。このプロセスは数百年の歴史があり、18世紀後半に開発され、1800年代初頭にイギリスの化学者ハンフリー・デービー卿が複数の新元素を分離するのに使用したことは有名である。今日では、金属の精錬から脱毛まで、あらゆる用途に使用されている。

_CO2の電気分解により、メタノール、エタノール、エチレン、ギ酸、酢酸など、さまざまな基本的な炭化水素と関連する単純な分子が生成されます。ただし、これらすべてが植物によって代謝されるわけではなく、代謝できるエタノールと酢酸は比較的生成が困難です。

論文の共著者の一人であるフェン・ジャオ氏は、ポピュラーサイエンス誌に「基本的な_CO2電気分解では、酢酸は選択性が10％未満のマイナー生成物です」と説明しています。電気分解が植物の栄養源として有効であるためには、この数値を大幅に増やす必要があります。論文では、この分野における重要な進歩として、研究者が「タンデム電気分解プロセス」と呼ぶ2段階アプローチの使用について説明しています。このプロセスでは、まず_CO2が一酸化炭素（CO）に還元されます。2番目のステップでは、COが酢酸に変換されます。

これにより、CO _{2 を}酢酸に直接変換する場合の問題を回避できます。CO _{2 は}酸性ガスですが、酢酸は陰イオンとして塩基性です。対照的に、CO は酸性ではなく、Jiao 氏は次のように説明しています。「結果として生じる高い pH により、電気触媒 CO 還元反応中に酢酸の形成が促進されます。これが、タンデム プロセスが酢酸生成においてはるかに高い効率を示す理由です。」どのくらい高いのでしょうか。Jiao 氏は、「このプロセスでは、ほぼ 90% の酢酸選択性を達成できます。」と述べています。

残りの 10% は副産物で、主にエチレンと水素です。Jiao 氏が指摘するように、どちらも有効活用できます。「[エチレンと水素] は産業界で広く使用されている汎用化学物質であり、エチレンをプラスチックやポリマーに変換するなど、他の用途に再利用できます。」

もちろん、名前が示すように、電気分解には電気が必要です。この点で、電気農業は従来の農業とは根本的に異なります。農場では明らかに電気が消費されますが、最も基本的なレベルでは、光合成には電力は必要ありません。

理想的な世界では、電気農業の電力は再生可能な資源から供給されるだろうと Jiao 氏は言うが、必ずしもそうである必要はないと認めている。「電力は既存の送電網から供給することができ、必ずしも再生可能である必要はない」。論文では、屋上にソーラーパネルを載せた層状の構造物で植物を栽培することを想定している。(太陽エネルギーの使用も有益だと Jiao 氏は言う。「一部の植物は、完全な暗闇よりも低照度の条件下でよりよく成長する可能性がある」ため。)

しかし、大規模に電気農業を展開するには、大量の太陽光パネルが必要になる。論文では、タンデム方式で米国全土に食料を供給するには、電気農業に年間19,600 TWhが必要になると推定している。これは、2023年の米国の総電力需要のほぼ5倍に相当する。

もちろん、米国の食品チェーンを電気分解ベースで全面的に再構築することを提唱する人は誰もいないし、電気農業は、たとえば都市部の食料砂漠で食料を栽培できるように、はるかに小規模に展開できる。しかし、そのような用途以外では、植物が光合成に太陽エネルギーを使用するのではなく、電気分解に太陽エネルギーを使用することに利点があるかどうかという明らかな疑問がある。

論文では、電気分解はそれ自体、光合成よりも著しく効率的なプロセスであると指摘している。「光合成と同じ主要な入力（ _CO2 、日光、水）を使用する電気農業は、従来の農業に比べて太陽光から食料への効率が少なくとも4倍向上します。」また、肥料の流出を減らすなど、他の利点も提供できる可能性がある。Jiao氏は、「植物が管理された環境で栽培される場合、流出を防ぐことで肥料の利用を大幅に改善できます。太陽エネルギーからバイオマスへの高い効率と組み合わせることで、[電気農業]は肥料の無駄を最大90％削減できます。」と述べている。

電力の問題以外に、電気農業の実現可能性に関するもう一つの差し迫った問題は、 _{CO2 が}どこから来るかという問題である。屋外で育つ植物は大気中の_{CO2 を}光合成するが、電気農業には専用のガス源が必要となる。この論文では、現在米国の産業部門の電力供給によって発生している 963 Mt の_CO2を回収することで、米国人口のどの程度を養うことができるかを検討しており、その数字は人口の 56% に上る。これを米国全人口を養うために必要な_CO2の量に外挿すると、1,719 Mt という数字になる。

繰り返しになりますが、これは大きな量です。比較のために言うと、2024 年の米国全体の純排出量は_CO2換算で 5,489 Mt でした。理論的には、これはこれらの排出量の完璧な利用方法のように思えますが、炭素回収・貯留は気候変動の特効薬として長い間提案されてきましたが、2024 年時点ではあくまでも仮説的な解決策にとどまっています。世界中で稼働中の CCS プロジェクトはわずか 50 件で、回収できる_CO2は年間合計 51 Mt です。

論文では「米国の土地の半分が生態系の修復と天然の炭素隔離のために解放される」という未来像を描いているが、従来の農業を全面的に電気分解に置き換えるというアイデアは、少なくとも地球上ではまだまだ先の話のようだ。論文が指摘しているように、火星の大気は95%が_CO2で、これは「最近の多くの研究が電気農業技術の商業化を目指している」もう1つの理由を暗示しているのかもしれない。

地球に戻ると、酢酸生産の効率が劇的に改善されたことで_CO2電気分解は有望な見通しとなったものの、その導入には大きな課題があると言っても過言ではないでしょう。Jiao 氏は、この新技術は 10 年以内にニッチな用途が見つかる可能性があると予測していますが、結局のところ、「光なしで植物を栽培するのはまだ初期段階です。この技術を完全に商品化し、その可能性を最大限に引き出すには、さらなる研究開発が必要です。」