分子の微調整により、アルミニウムが銅の需要を満たすことができるでしょうか?

この記事はもともと Wired によって掲載されたもので、Climate Desk コラボレーションの一環としてここに掲載されています。

非常に忘れられがちな普及技術である電線について少し考えてみましょう。 何百万トンもの細い金属糸が、私たちのデバイスの中に巻き込まれ、壁に巻き付けられ、街路に張り巡らされ、世界を感動させる役割を果たしています。 しかし、彼らの作品は穏やかで自然主義的であるため、テクノロジーとはまったく感じられません。 ワイヤーが電子を移動させるのは、単に電流が供給されると金属が電子を移動させるためです。つまり、金属は伝導します。

しかし、改善の余地は常にあります。 金属が電気を通すのは、特定の原子に結合していない自由電子が含まれているためです。 より多くの電子が流れ、より速く流れるほど、金属の伝導性は良くなります。 そのため、発電所で生成されるエネルギーやバッテリー内に蓄えられるエネルギーを保存するために重要な導電率を改善するために、材料科学者は通常、より完璧な原子配列を模索しています。 彼らの主な目的は純粋さ、つまり流れを妨げる異物や不完全な部分を取り除くことです。 金の塊が金であるほど、銅線が銅であるほど、導電性が高くなります。 それ以外のものは邪魔になるだけです。

「本当に導電性の高いものが必要な場合は、純度の高いものにする必要があります」と太平洋岸北西部国立研究所の材料科学者、キールティ・カッパガンチュラ氏は言う。 それが、彼女が自分自身の研究がかなり「奇妙な」ものであると考える理由です。 彼女の目標は、金属の純度を下げることで金属の導電性を高めることです。 彼女はアルミニウムなどの金属にグラフェンやカーボンナノチューブなどの添加剤を加えて合金を生成します。 これを正しい方法で行うと、余分な材料が奇妙な効果をもたらす可能性があることをカッパガンチュラは発見しました。それは、金属の導電率の理論的限界を超えてしまう可能性があるということです。

この場合のポイントは、電気機器において銅と競合できるアルミニウムを作成することです。このアルミニウムは、ほぼ 2 倍の導電性を持ちながら、約 2 倍のコストがかかる金属です。 アルミニウムには銅よりもはるかに軽いという利点があります。 また、地殻に最も豊富に存在する金属（銅の千倍）であるため、掘削も安価で簡単です。

一方、世界がより環境に優しいエネルギーに移行するにつれて、銅の調達はますます困難になっています。 配線やモーターでは古くから広く普及していますが、その需要は急増しています。 電気自動車は従来の自動車の約4倍の銅を使用しており、再生可能発電所の電気部品や電力網に接続する電線にはさらに多くの銅が必要となる。 エネルギー専門調査会社ウッド・マッケンジーのアナリストらは、洋上風力発電所では10年間で5.5メガトンの金属が必要になると推定しており、そのほとんどが発電機内の巨大なケーブルシステムと、タービンが生成する電子を海岸に運ぶために使われる。 近年、銅の価格が高騰しており、アナリストらは銅の不足が増大すると予測している。 ゴールドマン・サックスは最近、それを「新しい石油」と宣言した。

一部の企業はすでに可能な限りアルミニウムに置き換えています。 近年、エアコンから自動車部品に至るまで、あらゆる部品の部品に数十億ドル規模の変化が起きています。 高圧送電線にはすでにアルミニウム線が使用されています。アルミニウム線は安価で軽量なため、より長距離に張ることができます。 そのアルミニウムは通常、最も純粋で導電性の高い形状になっています。

しかし、ウッド・マッケンジー社の銅市場担当主任アナリスト、ジョナサン・バーンズ氏によると、この転換は最近鈍化している――その理由の一つは、アルミニウムが最も合理的である用途にすでに転換が行われているからだという。 より幅広い電気用途で使用するには、導電率が主な制限となります。 カッパガンチュラのような研究者が金属の再設計を試みているのはこのためです。

エンジニアは通常、強度や柔軟性などの金属の他の品質を向上させるために合金を設計します。 しかし、これらの混合物は純粋なものよりも導電性が低くなります。 特定の添加剤が電気の輸送に特に優れている場合でも（カッパガンチュラが使用する炭素ベースの材料の場合がこれに当てはまります）、合金内の電子は通常、ある材料から別の材料に飛び移るのが困難です。 それらの間のインターフェイスが問題点となります。

そうでない場合でもインターフェイスを設計することは可能ですが、これは注意して行う必要があります。 アルミニウム合金を製造する通常の方法ではうまくいきません。 金属アルミニウムは、高校の化学の教科書を覚えている人ならおなじみのプロセスを使用して 1 世紀以上にわたって製造されてきました。それは、ボーキサイト (元素が主に含まれる堆積岩) から酸化アルミニウムを取り出すバイエル法であり、その後、材料をアルミニウム金属に製錬するホール・エルー法。

2 番目のプロセスでは、金属を 1,000 度近くに加熱して溶融させる必要があります。これは、アルミニウムの製造に銅の製造に必要なエネルギーの約 4 倍のエネルギーが必要な理由の大きな部分を占めており、気候にあまり優しいとは言えません。 。 そして、これらの温度では、適切なニュアンスの合金を製造するには問題が生じます。 カーボンのような添加剤を入れるには熱すぎるため、慎重に設計された構造が失われ、金属中に不均一に分布してしまいます。 2 つの物質の分子が再配列して、いわゆる金属間化合物、つまり絶縁体として機能する硬くて脆い材料を形成します。 電子は一方の側からもう一方の側へジャンプすることはできません。

代わりに、PNNLの研究者らは、低温でせん断力と摩擦を組み合わせて新しい炭素材料を金属に積層する固相製造と呼ばれるプロセスに目を向けた。 重要なのは、アルミニウムが柔軟になる（いわゆる「プラスチック」状態）が溶けない程度に十分高い温度でこれを行うことです。 これにより、Kappagantula は材料の分布を注意深く制御し、新しい合金の原子構造をモデル化するコンピューター シミュレーションで検証することができます。

これらの材料を研究室の外に移動するには、長いプロセスが必要になります。 チームの最初のステップは、新しい合金で作られたワイヤを製造することでした。最初は長さ数インチ、次に数メートルです。 次に、バーとシートを作成し、さまざまなテストを実施して、導電性が高いだけでなく、産業用途に十分な強度と柔軟性を備えていることを確認します。 これらのテストに合格すれば、メーカーと協力して合金をより大量に生産することになる。

しかし、カッパガントゥラにとって、2世紀にわたるアルミニウムの製造プロセスを再発明することは、苦労する価値がある。 「大量の銅が必要で、すぐに銅不足に陥るでしょう」と彼女は言う。 「この研究は、私たちが真に正しい道を進んでいることを示しています。」