海で漂流する羽目になったら、飲めない水に囲まれたまま、喉がからからに乾いて死ぬことになる。砂漠で迷子になった場合も、同じ運命が待っている。周りに水はあるが、飲むことができない。砂漠に“満ちている”水は、分子のかたちだからだ。たとえ土地が乾き切っていても、空気中には水が存在する。ただし、砂漠で遭難した人間に何の役にも立たない。
大気から水を取り出して液体に変える装置はあるものの、かさばるうえ、稼働させるのに大量のエネルギーを必要とする。しかし、こうした弱点をクリアする2本の研究論文が6月8日、『サイエンス』誌の姉妹メディアで未発表の研究を掲載するオンラインジャーナル『サイエンス・アドヴァンシズ（Science Advances）』に掲載された。大気からそのまま水を取り出す優れた技術を紹介したもので、一方はエネルギーをまったく使わず、もう一方もごくわずかしか必要としない。
どちらも人類の渇きを一度に癒やすほどの成果は挙げられないだろう。だが、乾燥が特に厳しい地域では、補完的な給水方法として大いに期待できる。特に、気候の変動によって干ばつなど大きな被害が出ている地域では、需要は大きいはずだ。
空気中の水分を吸い寄せるスイッチ
第1の技術の発想そのものは、新しいわけではない。「霧を集める」というアイデアで、昔からあるものだ。ただし、今回は生産量を増やしている。
霧は小さな水滴が数え切れないほど集まったものだ。この水滴を十分に集めれば、グラス1杯分の水ができる。例えばチリでは、細かい網で霧を集め、それをパイプに流し込んで飲料水として使うだけでなく、ビールづくりにまで利用している。
素晴らしい仕組みだが、研究者たちの期待に応えるほどの性能には達していない。「このように受動的に霧を集める方法は効率が悪く、1〜2パーセント程度しか水をつくれません。極めて貧弱な数字です」と、今回の新しい論文の共著者でマサチューセッツ工科大学（MIT）の機械エンジニアであるクリパ・ヴァラナシは言う。
これまで霧を集めるために使っていた網では、霧の大部分が隙間をすり抜けてしまい、水滴をとらえて十分に水をためるまでに時間がかかった。では、もっと細かい網をつくればいいかというと、そういうわけでもない。目が詰まっていると、霧を含んだ風は網を通り抜けられず、その周囲を流れて行ってしまう。
理想は、水滴が網目に「集まってくる」状態だ。そこでヴァラナシは「電界」に着目し、帯電した空気の原子を放射する機器「イオン放射器」に霧を通す実験をした。「イオンは水滴をとらえながら進み、水滴を帯電した状態にします」とヴァラナシは説明する。
電気を帯びた水滴は網に吸い寄せられる。下の画像を見てほしい。初めのうち、霧は普通に流れているが、イオンが放射された瞬間に、網から逃れられなくなる。
霧を吸い寄せる力は極めて強く、いったん網から離れた水滴もUターンして網にかかる。その結果、水をつくりだす効率は99パーセントにまで高まる。集められた霧は水になり、下に置かれたカップに落ちてゆく。
この朗報を、霧で有名なサンフランシスコの人々に聞かせたい。理論的には霧が大量に発生する地域なら、どこでもイオン放射器と網の組み合わせて水をつくれる。イオン放射器を稼働させるには高い電圧が必要だが、実際に使われる電流は少ない。研究室で使う装置では、網1平方メートル当たり60Wで済む。
インドなどの乾燥地域で使われている技術「エアウォータージェネレーター」と比較してみると、エネルギー効率のよさは明らかだ。エアウォータージェネレーターとは、冷蔵庫と同じ仕組みで空気を冷やし、空気中の水分を液化させる方法だ。エネルギーコストはかなり高い。
このようにイオン化技術は効果があるが、霧が少しでもあればどこででも使えるわけではない。大量の霧が必要になるうえ、イオンを発生させる最適なタイミングを判定するシステムも求められる。
「こうした技術や機器を給水源として活用するには、いつ霧が発生するかをしっかり判断しなくてはなりません」と、空気から水を生成する技術を研究しているケミカル・エンジニアのグレッグ・ピータースは言う。「山頂で雷が落ちるのを半年待ち続けるようなことになれば、大変な費用の無駄使いですから」
この技術は発電所で利用できる可能性があり、特に冷却塔での活用が最適だという。水蒸気が発生する場所だからだ［編註：発電所では水蒸気を発生させてタービンを回し、その動力を電気に変換する。この水蒸気を冷却水で液化させて温水にしたあと、さらに冷却塔で冷やして冷水にし、再び水蒸気を発生させるための“原料”として給水する循環を行っている］。
冷却には大量の水が必要になる。例えば米国では、取水総量の39パーセントが発電所で消費されている。発電所1カ所で年間10万人が使えるほどの水を冷却に当てている計算になる。しかし、「この方法なら、集めた水蒸気をそのまま水に変えることができます」とヴァラナシは言う。ほかの技術では、このようなことは不可能だ。
自然界で霧を集めようとすると、霧が自然に発生するのを待つしかない。ところが実際には、砂漠にはあまり霧が出ない。そこで第2の方法の登場だ。
夜間に湿気を集め、昼間に太陽熱で「生産」
カリフォルニア大学（UC）バークレー校の研究者たちは、水を使って発電する「水電池」と本質的に同じような装置を開発した。夜間に原料となる湿気を集め、日中に水をつくる仕組みだという。
水電池は有機金属系と呼ばれる素材でできている。金属部分はジルコニウム、有機部分は炭素原子だ。この2種類の物質を結合させると粉末状になる。内側に空間を多く含んだ、いわばとても風変わりなスポンジのような組織である。
「これを湿った空気に触れさせると、内部が水の分子で満たされます」と、論文の共著者のひとりであるユージーン・カプスティンは言う。「水の分子はこの粉末状の組織の内部とそれほど強く結びついているわけではないので、加熱すれば水を取り出せます」
研究者たちは、この金属と有機物でつくられた部品を箱の上に乗せ、それからこの箱をふた付きの透明な箱に入れた。夜の間はふたを開けておき、空気を入れる。
夜間の空気は日中に比べて湿気を多く含んでいる。「昼間は箱のふたを閉め、日光に当てます」とカプスティンは説明する。箱が熱せられ、水は水蒸気となって放出される。「5時間後には、箱の内壁に水滴が凝縮して流れ落ち、箱の底に水がたまってくるのが見えるはずです」
もちろん現時点では大量の水をつくることはできない。この有機金属素材2ポンド（約907g）を使って生成できる水は、7オンス（約198g）ほどにすぎない。
「水戦争」も解決できるかもしれない
しかし研究者たちは現在、アルミニウムを素材にした装置を試作している。アルミニウムはジルコニウムより値段が安く、同じ分量のアルミニウムでジルコニウムを使った場合の2倍の量の水をつくれるという。箱を大きくしてアルミニウムの量を増やせば、さらに大量の水を集められる。
そのうえ、この水電池のような装置は、最低150回は劣化せずに使用できる。「集めた水の純度を分析したところ、有機物の要素も、無機物の要素も含まれていませんでした」とカプスティンは言う。「ここから、この素材の安定性がわかります。同時に、装置の性能が時間の経過とともに劣化しないことも明らかです」
さらに、このシステムの素晴らしい点は、太陽の力しか使わないという「受動性」だ。しかも、厳しい自然のなかでも使える。アリゾナ州での実験によれば、日中の湿度が8パーセントまで落ちても、この装置で水を集めることができた。
確かに、これらの技術で世界の渇きを癒すことはできないだろう。しかし、水不足に悩む地域であっても、水に関して最も重要と思われるルールを遵守できるようになるかもしれない。つまり、水源に多様性をもたせる、ということだ。
遠くの地域に降った雨を引水するために、水道管を引くようなインフラ頼みでは、水資源をめぐる紛争に発展しかねない。有機金属を使った装置や、霧をイオンで水にする技術などは、どこでも使えるわけではない。しかし、人類を乾きから救ってくれる日がいつかやってくるかもしれない。
TEXT BY MATT SIMON
TRANSLATION BY YOKO SHIMADA