2011年10月19日、東北大学と産業技術総合研究所、日向市は、JR鉄道総合研究所旧リニア実験施設（日向市美々津町）で、太陽熱を利用したマグネシウム製錬の実証実験を開始した。
太陽エネルギーを利用したマグネシウム製錬技術としては、東京工業大学 矢部孝教授らの太陽光励起レーザーによるレーザー製錬法がある。一方、東北大学 未来科学技術共同研究センターの小濱泰昭教授らは、凹面鏡で太陽光を一点に集光する太陽炉を用いる点が異なる。小濱教授らのチームは、マグネシウムを用いた燃料電池の開発も進めており、試作品として、電圧6Ｖ、電流2A、容量30Ahのものをすでに開発済みである。実証実験について小濱教授にうかがった。（取材・構成：山路達也）

–東工大のチームは太陽光励起レーザーによって酸化マグネシウムを気化させ、金属マグネシウムの製錬を行おうとしています。これに対し東北大学では、太陽熱を使い1200℃で製錬を行うそうですが、どのような方式でしょうか？

現在、マグネシウム製錬の主流はピジョン法です。この方法によって中国は世界におけるマグネシウム生産量の8割を占めるに至りました。ピジョン法では石炭で1200℃の高温環境を作り出し、フェロシリコンという触媒を使って反応を進めます。私たちが当初行うのもフェロシリコンを使ったピジョン法で、宇部興産の技術指導を受けています。

–フェロシリコンを使うということは、それを作るためのエネルギーも別途必要になるということでしょうか。

はい、製錬とは別にフェロシリコンを作るためのエネルギーが必要になります。最初の段階では、石炭を使ったピジョン法に比べて、（二酸化炭素を排出しないため）環境負荷が低いということを売りにするしかありません。
ただし、研究スタッフには炭素還元技術の専門家がおり、最終的にはフェロシリコンを使わない方法を目指します。

–凹面鏡で太陽炉に集光するということですが、効率はどうでしょう？

1960年代、東北大学は直径10メートルのパラボラ鏡で構成される太陽炉を制作し、物性研究を行っていました。この太陽炉は4000K（3727℃）の温度を達成しており、当時世界トップクラスの性能を達成していたのです。
もっとも、酸化マグネシウムを還元するのに4000Kまで温度を上げる必要はありません。太陽炉内部を減圧し、魔法瓶のような真空層で熱の対流と伝導を防ぎ、さらに膜を使って輻射を防ぐことができれば、温度は1200℃で十分だと考えています。

–酸化マグネシウムの沸点は3600℃です。それならば、3727℃の太陽炉を使った方がよいのではないでしょうか？

エクセルギー（有効エネルギー）の考え方はご存じでしょうか？　エクセルギーを使って考えると、できるだけ低い温度で化学式を工夫して反応を進めた方が最終的な効率はよくなるのです。
ピジョン法ではうまく圧力と温度を調整することで三重点（ある物質の固体、液体、気体の状態が共存できる温度と圧力）特性を利用し、比較的低い温度でマグネシウムの気体を取り出しています。
日向市の実験では、産総研から譲り受けた小型の太陽炉を使い、70％のエネルギー効率を目指します。

–反射板は、戦艦大和の探照灯用に製造されたものだということですね。

そうです（笑）。産総研の担当者から、70年前に大和の探照灯の予備部品として製造されたものとうかがい、驚いた次第です。

■難燃マグネシウム合金で、燃料電池の性能が向上

–マグネシウム燃料電池についても、東北大で研究しているのですか？

はい、古河電池と共同研究しており、すでに特許も申請済みです。現在、電圧は直流6V、電流は2A、容量は30Ahの試作品ができています。これは空気中の酸素とマグネシウムを電気化学的に反応させる燃料電池です。

–二次電池（充電池）ではなく、一次電池ですか？

はい。

–マグネシウムの実証実験には産総研が参加していますが、どういう部分を担当しているのでしょう？

産総研 中部センターの坂本 満博士は、20年に渡ってマグネシウムの難燃化を研究してきました。
私たちは、別プロジェクトとして「エアロトレイン」の研究を進めているのですが、この車体には難燃マグネシウム合金を使って軽量化を図っています。
マグネシウム燃料電池に難燃マグネシウム合金の一種を改良して使ったところ、通常の金属マグネシウムよりも性能が格段にアップしたのです。これには驚きましたよ。さっそく国際特許として申請準備に入りました。

–難燃化処理には、エネルギーが必要ですか？

当然通常の製錬に加えて、新たなエネルギーの投入が必要になります。
ただし、私は「エネルギーはゆりかごから墓場まで」とよく言うのですが、エネルギー効率は燃料電池の効率も含めて、サイクル全体で評価する必要があります。その意味でも本プロジェクトには優位性があり、総合効率が高いのです。そして、難燃化しなければ、マグネシウムという金属は危険極まりない物質なのです。空気中の酸素と反応して爆発燃焼する物質であり、昔は写真撮影時にフラッシュとして利用されていたくらいです。
（注：マグネシウムの危険性については、こちらの記事も参照のこと）

■翼を備えた超高速鉄道「エアロトレイン」

–マグネシウム製錬の話から外れるのですが、エアロトレインについて少し聞かせてください。小濱教授はJR東海が進めているリニアモーターカーに否定的ですね。

複数の技術を競合させていたら、現在進められている磁気浮上式リニアモーターカーが選ばれることはなかったでしょう。リニアモーターカーのエネルギー効率は、よく見積もっても蒸気機関車と同程度で10％以下なのです。ちなみに、電車のエネルギー効率は40％台です。
私たちが研究しているエアロトレインは時速500kmで走行しますが、消費エネルギーは新幹線の1/3、リニアモーターカーの1/9で済みます。これは旧運輸省による評価です（平成10年3月、交通エコロジー・モビリティ財団「地球温暖化防止に資する新たな交通システムに関する調査」報告書（日本財団補助））。レールなどを含めた建設費についても新幹線並みで、リニアモーターカーより格段に安いと評価されています。
結局、リニアモーターカーは原発ありきのプロジェクトだったわけです。現在の状況であのようなプロジェクトにゴーサインを出すのは馬鹿げていると思いますよ。原発事故を受け、政府は企業に対して一律に15％の節電を課しているにもかかわらず、JR東海には大飯ぐらいのリニア建設にゴーサインを出している。行政として、首尾一貫していないと言わざるを得ません。

–エアロトレインの車体研究から難燃マグネシウム合金、そしてマグネシウム燃料電池、太陽炉による製錬へとつながってきたのはとても興味深いですね。太陽光励起レーザー以外にも、新しいマグネシウムの製錬方法が登場してきたことで、マグネシウム循環社会のビジョンも注目を集めることになると期待しています。

技術は競争することで、進歩していきます。現在、太陽エネルギーを利用したマグネシウム製錬法は、東工大方式の太陽光励起レーザーと、東北大学方式太陽炉の2つしかありません。研究者同士、意見交換しながら競争し、日本の国家プロジェクトに仕上げていきたいですね。

日本経済新聞（1月10日付け）によれば、京都大学がマグネシウム電池を研究中とのこと。

京都大学の安部武志教授らのグループは革新電池のもう一つの候補「多価イオン電池」の実用化につながる成果を出した。同電池はリチウムを使わずに正極に酸化物、負極にマグネシウム金属を利用する仕組み。リチウムは１個ずつしか電子を動かせないがマグネシウムは２個ずつまとめて動かせ、電気容量も２倍になると期待される。

有機物の「２メチルテトラヒドロフラン」に臭化マグネシウムを加えた溶液を電解液に採用。これまで知られている物質のような危険な反応の心配はない。負極で放電や充電に対応するマグネシウムの溶解、析出反応が進むのを確かめた。さらにマグネシウム化合物を添加し、反応効率を上げるメドも付いた。こうした成果は、３個以上の電子をまとめて動かせる電池にも道を開く。

米国でも、トヨタ自動車がマグネシウム電池の開発を発表するなど、マグネシウムを電池の活物質として利用する動きが加速しつつあるようです。

1月10日、トヨタ自動車がマグネシウム電池を開発中と発表したとのことです。

同プロジェクトを統括するエンジニア、ジェフリー・マカレウィッツ氏はデトロイトで開催中の北米国際自動車ショーでのインタビューで、ミシガン州にあるテクニカルセンターでマグネシウム電池の開発に取り組んでいると述べた。日本国内の研究所で進めている他の素材開発を補完する狙いがある。

同氏は、マグネシウム電池か代替材を使用した電池を搭載した自動車は2020年ごろまでに準備が整う可能性があると話した。（Bloomberg.co.jp）

Greentech Mediaによれば、米国エネルギー省の団体”ARPA-E”は、1億600万ドルを新エネルギーベンチャーに投資すると発表したとのこと。

The Department of Energy announced $106M today in funding for 37 experimental projects that could radically change the ways that we think of “alternative energy.”

この中には、安価なマグネシウムイオン二次電池を開発している、Pellion Technologies, Inc.が含まれています。

Pellion Technologies, Inc. – $3.2M – the project will develop an inexpensive, rechargeable magnesium-ion battery for electric and hybrid-electric vehicle applications. Computational methods and accelerated chemical synthesis will be used to develop new materials and chemistries.

WIRED VISIONの「次世代電池レースで脚光を浴び始めた「マグネシウム電池」」では、株式会社TSCとSAITECが開発しているマグネシウム電池を紹介しています。

• 次世代電池レースで脚光を浴び始めた「マグネシウム電池」 | WIRED VISION

開発されているのは、一次電池である「マグネシウム空気電池」と「マグネシウム水電池」、それに二次電池の「マグネシウム金属電池」です。

NEDO（独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構）の発表（2009年11月24日付け）によれば、埼玉県産業技術総合センター（SAITEC）はマグネシウムイオン二次電池の正極材料を開発したとのこと。
以下、プレスリリースからの引用です。

このたび、SAITECは資源が豊富であり海水からも精製可能な、マグネシウムを用いた全く新規な二次電池の正極材料を開発しました。ポストリチウムイオン電池の候補として挙げられていたマグネシウム電池において、これまではアイデアレベルでしかなかったところ、このたび世界で初めて安定した充放電を可能にしました。この成果により、電気自動車の低コスト化へ向けた新たな研究開発の指針が得られた事になります。

今回SAITECでカーボンフェルト電極とマイクロ波加熱を組み合わせた独自の合成方法によってイオウを添加した金属酸化物正極材料を開発し、安定して充放電が行えることに成功しました。　さらに、電気容量もリチウムイオン電池用コバルト酸リチウムと比較して同等と見込めることから、今後のマグネシウムイオン電池の実現へ向けて大きく前進しました。

質問：
金属マグネシウムは水や酸素と反応しやすいという性質がありますが、燃料として使う場合に、危険はないのでしょうか？
また、金属マグネシウムが酸化しやすいということは、燃料として長期間貯蔵できるのでしょうか？

回答：
既存の燃料であるガソリン、石炭もすべて燃えるという意味では危険です。そうでないと燃料とはなりません。
金属マグネシウムは熱伝導が非常によいため、どこかを加熱しても温度がなかなか上がりません。そのため、塊のマグネシウムに点火するのはまず不可能です。そこで、点火するには、マグネシウムをリボン状にして熱が伝わらないように工夫する必要があります。この意味では、マグネシウムはガソリンのように揮発して引火するものよりは安全です。

一方の保存性についてですが、確かに金属マグネシウムの表面、数マイクロメートルはすぐ酸化します。しかしそれ以上は酸化が進みません。
したがって、空気中に放置しておいても燃料として使用するには問題ありません。私たちは、10年間空気中に放置してあったマグネシウムであっても、燃料として問題なく使えることを確かめました。
（矢部孝）

「マグネシウムは火力発電所の燃料として使える」では、マグネシウムと水を反応させ、生じた熱で水素を燃やせることを紹介しました。発生する高温高圧の水蒸気によって、タービンを回して動力を取り出すことが可能です。
下の動画は、2006年に東京工業大学で行われたマグネシウム燃焼エンジンの実験風景を撮影したものです。
2mm程度の小さな粒にしたマグネシウムを水と混ぜると、泥のような燃料になり、連続的に投入して燃焼させることができます。

マグネシウム（から発生する水素）を直接燃焼させることもできます。マグネシウムと水との反応では、熱も発生します。この熱をうまく使えば、反応で発生した水素を燃やすことが出来、高温高圧の水蒸気が発生します。タービンを回して動力を取り出したり、充電に利用できるわけです。
この場合、マグネシウム1kg当たりの発熱量は水素燃焼分を含めると25MJ（メガジュール）。これに対して石炭は30MJとマグネシウムより少し高いのですが、石炭は一度燃やしたらそれで終わりです。燃えがらの処分にも手間が掛かり、燃焼によって膨大な二酸化炭素が排出されます。
一方、マグネシウムが燃えて（酸素と反応して）できた酸化マグネシウムはリサイクルしてマグネシウムに戻せます。燃焼でできるのは酸化マグネシウムと水（水素の燃焼による）だけで、二酸化炭素は排出しません。現在稼働している石炭火力発電所で石炭の代わりにマグネシウムを燃やす時代が来るかもしれません。