Thirst Trap: 水の未来

元祖の罠

2024年、オックスフォード英語辞典は「thirst trap（渇きの罠）」を語彙に追加した。定義：オンライン上で反応を引き出すために投稿される、意図的に挑発的な画像。このフレーズはそれ以前から10年以上にわたってインターネットスラングとして使われていたが、本当に水に関する話ではなかった。それは、手に入らないものを欲しがることについての言葉だった。

元祖の「渇きの罠」は、実はソーシャルメディアより約45億年も前から存在している。宇宙から見ると、私たちの惑星は青く、まるで水に溺れているように見える。表面積の71%が水であり、これまで太陽系で見つかったどの場所よりも多くの水がある。そのトリック、つまり罠とは、その97.5%が塩水だということだ。残りのわずかな淡水のうち、3分の2は氷河と極地の氷に閉じ込められている。残った水で80億人の人々を賄わなければならない。2050年までには、100億人近くに必要になる。世界は水に満ちている。私たちは渇いている。

1961年5月25日、ジョン・F・ケネディは連邦議会の合同会議で演説し、10年以内に人間を月に送るとのコミットメントを表明した。この演説は20世紀を定義づける瞬間の一つとなった。1ヶ月後の6月21日、ケネディは2度目の演説を行った。今度はホワイトハウスに座り、テキサス州フリーポートに集まった群衆に電話で放送した。そこではリンドン・ジョンソン副大統領がアメリカ初の産業規模の海水淡水化プラントを公開していた。ケネディはほぼ同じ調子で語った。海水を真水に変えることは、「この国が現在取り組んでいる他のどの科学的事業よりも多くの点で重要である」と述べた1。その年の春先にはさらに踏み込んでいた。「もし私たちが、競争力のある低価格で塩水から淡水を得ることができれば、それは人類の長期的な利益となり、他のどの科学的成果も本当に小さく見えるだろう」と語っていた2。

沸かすか、搾るか

フリーポートの施設は奇妙な形の機械だった。8階建てのクロム製キャニスターが12本、配管と足場で結びつけられ、隣接するダウ化学工場から借りた石炭炉で動いていた3。1日あたり約100万ガロンの飲料水をフリーポート市民に供給した。しかし、石炭の消費量も恐ろしいほどだった。技術は熱蒸留方式で、海水を加熱し、蒸気を捕捉し、それを凝縮して淡水に戻し、塩は廃棄する。アリストテレスが紀元前340年頃にこの原理を記述していた。アメリカ人はそれを単にスケールアップしただけだった。

ジョンソンがテキサスでカメラに向かって微笑んでいる間、ロサンゼルスではより静かな革命がすでに進行していた。UCLA の研究チームは10年をかけて別のアプローチを開発していた。海水を沸騰させる代わりに、搾り出すのだ。高圧で塩水を薄いポリマー膜に押し付ける。その膜の細孔は、水分子を通すのにちょうど良く、溶解した塩のイオンをはじくのにちょうど小さい。彼らはそれを逆浸透（RO）と呼んだ。1960年代半ばまでに、UCLA チームは海水と汽水の両方から淡水を生成するチューブラー膜モジュールを開発した4。誰も彼らが何を成し遂げたかを十分に評価しなかった。30年以内に、それはケネディ時代のほぼすべての熱蒸留プラントを時代遅れにした。

現在でも、熱蒸留と膜方式が海水淡水化の2つの基盤である。熱蒸留システムには2つの主要な種類がある。多段フラッシュ蒸発法（MSF）は、海水を加圧下で加熱し、次第に圧力が低くなるチャンバーの連鎖（時には30段も連続する）を通して蒸気にフラッシュさせる5。多重効用蒸発法（MED）は、同じ原理の少し異なる順序で、各段の熱を再利用して次の段を駆動するため、より効率的である。どちらも非常に純度の高い水を生成する。どちらも大量の熱を必要とし、製品1立方メートルあたり通常5〜15キロワット時である6。これらが現在も生き残っているのは、主にエネルギーが安くて手軽に入手できる場所、特に湾岸諸国であり、そこでは淡水化プラントが発電所に併設され、その廃蒸気で稼働することが一般的である。

逆浸透膜方式は他のすべての場所で支配的である。加圧された海水（通常60〜80気圧）が、スパイラル巻きのポリマー膜に押し付けられる。純水は通過する。元の海水の約2倍の塩分濃度を持つ濃縮ブラインが反対側から出てくる。最新のプラントでは、圧力交換器と呼ばれる装置を使用して、このブラインの圧力を出口側で回収し、その運動エネルギーを流入する海水にリサイクルする。これにより、より優れた膜と注意深い前処理を組み合わせることで、必要なエネルギーは桁違いに減少した。2025年2月、スペインのグラン・カナリア島にある DESALRO 2.0 という小規模な実証プラントは、1立方メートルあたり1.794キロワット時の検証済み比エネルギー消費量を達成した。これは1970年代に同じ仕事に必要だったエネルギーの約10分の1である。これはギネス世界記録でもある7。

名前を挙げる価値のある亜種もある。電気透析は電場を使ってイオン交換膜を通じて塩イオンを引き抜く。汽水では威力を発揮するが、海水では苦戦する。正浸透は、高塩分のドロー溶液を使用して、加圧なしで膜全体に水を引き込み、その後別途ドローから淡水を回収する。膜蒸留は、疎水性膜と小さな温度勾配を使用して水蒸気を駆動する。それぞれに支持者がいる。産業規模で逆浸透を駆逐したものはまだない。

冷戦、熱い砂

アメリカが1961年に海水淡水化に関心を持ったのは、部分的にはテキサスが渇いていたからだ。同州は1950年代を通じて記録的な干ばつに見舞われ、貯水池は干上がり、農場は潰れた。フリーポートのプラントが稼働した時点で、リンドン・ジョンソンはアメリカ合衆国副大統領だったが、1950年代はテキサス州の上院議員を務めていた。彼は干ばつとそれ以前のダストボウルを経験していた。水の安全保障は彼にとって抽象的なものではなかった3。

それはまた、冷戦の物語でもあった。1960年代初頭は、アメリカの技術楽観主義がほとんどめまいがするような時代であり、どの工学的問題も大きすぎるとは思えず、ソ連より先に解決するという名声がそれ自体報酬だった。ケネディはフリーポートでその類似性を明確にした。この画期的な進歩は、「隣人、州、国家間の苦しい争いを終わらせる」だろうと彼は述べた2。ソ連はスプートニクとガガーリンを持っていた。アメリカは月を持ち、そして海を持つだろう。

その2番目の約束は、実現がより難しいことが判明した。コストは頑固に下がらなかった。1980年代初頭までに、淡水化された海水のコストは依然として1立方メートルあたり2〜3ドルであり、ほとんどのアメリカの都市における従来の淡水の価格の10倍以上だった4。プラントはエネルギーを大量に消費した。フリーポートの施設はわずか8年後の1969年に廃止された。ケネディとジョンソンが推進した連邦プログラムは静かに縮小された。海水淡水化は、必要に迫られて他の国が行うものとなり、できるからアメリカが行うものではなくなった。

もちろん、根本的な問題は消えなかった。

海水淡水化の時代

現在、世界では約150カ国、21,000以上の海水淡水化プラントが稼働しており、1日あたりの合計設備容量は約1億1,500万立方メートルの淡水に達する。これは3億人以上に供給するのに十分な量である8。容量は2000年以降で約3倍になり、業界紙は2030年まで年率5〜6%で成長し続けると予想している9。中東と北アフリカを合わせると、世界全体の半分以上を占める。サウジアラビアだけでも1日1,100万立方メートル以上を生産する艦隊を運用しており、UAE もそれに迫る。最近のサウジアラビアとUAEの入札における世界で最も安い契約水価格は、1立方メートルあたり50セントを下回っている9。

イスラエルは最も示唆に富むケースである。乾燥した東地中海の端に位置する人口900万人のこの国は、現在、飲料水の60〜80%を海から得ている10。最初の大規模逆浸透プラントは2005年にアシュケロンで稼働した。その後15年間でさらに4基が地中海沿岸に建設された。テルアビブの南15キロメートルにあるソレクプラントは、10年間世界最大の逆浸透施設だった。その後継であるソレク2（ベエル・ミリアムとも呼ばれる）は2023年に稼働を開始し、年間生産量は2億立方メートルである。これは世界初の蒸気駆動式海水逆浸透プラントであり、隣接する発電所の廃熱を利用して高圧ポンプを駆動し、契約水価格は1立方メートルあたり0.41ドルと記録的な低さを達成した11。比較すると、ロンドンの街角の店で売られている小さなミネラルウォーターのボトルは、その約30倍の値段がする。イスラエルは現在、消費する以上の水を生産し、余剰分をヨルダンとヨルダン川西岸に輸出している10。

この背景にある業界は、ほとんどの人が認識している以上に集中している。ハイエンドのエンジニアリングと建設を支配しているのは、フランスの Veolia、イスラエルの IDE Technologies、スペインの Acciona の3社である。韓国の Doosan Enerbility はサウジの熱蒸留プラントの多くを建設した。膜製造は DuPont、日本の東レ、Hydranautics、LG Chem が主導している。ポンプとエネルギー回収装置は、どんな RO プラントの見過ごされがちな心臓部であり、主にデンマークの Danfoss、テキサスの Flowserve、カリフォルニアの Energy Recovery Inc. から供給されている12。最大の統合企業である Veolia は、2025年に2030年までに世界の海水淡水化能力を倍増させる意向を発表し、TotalEnergies と提携してプラントを太陽光発電で賄うことを推進している。同社はすでにオマーンに世界最大の専用太陽光発電淡水化施設を建設している13。

コストの劇的な低下が最大のニュースである。1970年代の1立方メートルあたり約20キロワット時から、逆浸透は現在では日常的に 2.5〜3.5 kWh/m³ で運転され、最も優れたプラントでは2.0を大きく下回っている14。太陽光発電のモジュール式システムは、島や孤立したコミュニティに導入され、太陽光のみで1立方メートルあたり3キロワット時で稼働する。湾岸諸国では、契約水価格は現在、一部のアメリカの都市が依然として輸入している長距離パイプラインの水と同等かそれよりも安くなっている。見つける水と製造する水の価格差は縮まりつつある。

「世界は水に満ちている。私たちは渇いている。この2つの事実の間のギャップこそ、海水淡水化が65年にわたって埋めようとしてきたものである。」

ドラマチックな疑問はもはや、海水淡水化が機能するかどうかではない。それは、惑星規模で重要となるほど十分に機能するかどうかである。国連は、現在7億2千万人が水ストレスの高い、または深刻な国に住んでいると数えている。約40億人が、少なくとも年に1ヶ月は深刻な水不足を経験している15。現在の傾向が続けば、2030年までに水の需要は供給を約40%上回る。海水淡水化は現在、世界の飲料水の1%未満を供給している。次の10年で、この割合が2桁に達するか、それとも沿岸部の珍しいものにとどまるかが決まるであろう。

3つの問題が依然として答えを制約している。第一はエネルギーである。1立方メートルあたり2キロワット時であっても、世界の飲料水を完全に海から供給するには、今世紀に電力に求められている他のすべての需要に加えて、世界の発電量の約3%を消費することになる。湾岸諸国が海水淡水化を可能にしているのは、部分的には安価なエネルギー余剰を燃やせるからである。新しい淡水化能力を再生可能エネルギー、そして将来的には先進的な原子炉と結合することは、必須であり、選択肢ではないように思われる。カナダの企業 Thorium Power Canada は、チリに10 MW のトリウム炉を建設し、1日あたり2,000万リットルのプラントを駆動することを提案している16。Loonshot の読者なら、トリウムエネルギーに関する最近の記事からこの組み合わせを覚えているだろう。ここにその優れたユースケースの一つがある。

第二の問題はブライン（濃縮塩水）である。逆浸透で生産される淡水1立方メートルごとに、給水の約2倍の塩分濃度を持つ約1立方メートルの濃縮ブラインが残る。現在の慣行では、このブラインはほとんどが海に直接排出される。拡散装置を適切に混合された水域に設置してうまく行われれば、局所的な影響は軽微である。不適切に行われれば、ブラインは沈み、海底に沿って何キロメートルも這い、海草、サンゴ、そしてそれらに依存する底生生物を窒息させる17。能力が拡大するにつれて、ブライン管理は後付けから設計パラメータへと移行している。ゼロ液体排出プラントはブラインからすべてを抽出し、固体の塩を残す。ブライン採掘システムは、かつて廃棄物だった流れから商業的に価値のあるミネラル（ナトリウム、マグネシウム、カリウム、臭素、さらにはリチウム）を回収する9。MENA（中東北アフリカ）のパイロットプロジェクトは、淡水化プラントが、結果的に飲料水を副産物として生産する鉱山になり得ることを示している。

第三の問題は地理である。世界の大都市のほとんどは沿岸にあり、それが淡水化が依存する利便性である。ラゴス、ムンバイ、カラチ、ジャカルタ、上海、ロサンゼルス、ケープタウン：すべて対象となる。内陸の人口、特にアフリカと中央アジアの乾燥した内陸部の人口は対象外であり、沿岸から水を汲み上げるエネルギーコストは、そもそも水を作るコストをはるかに上回ることが多い。海底システムは、最も未来的な最近の開発であり、これらの制約のいくつかを押し広げ始めている。カリフォルニアの OceanWell という会社は、マリブ海岸から約7キロメートル、水深約400メートルの海底に円筒形のポッド群を係留する準備を進めている。その水深では、海洋の自然圧力が高圧ポンプなしで逆浸透を駆動するのに十分である18。各ポッドは1日あたり最大100万ガロンの淡水を生産し、海底ケーブルを通じて陸上に送られる。同社は、このシステムが従来の陸上プラントよりも約40%少ないエネルギーを使用し、ほとんど濃縮ブラインを生成しないと主張している。適度な余剰塩分は深海の海流に単に分散するからである。最初の商業展開である Water Farm 1 は、2030年までに1日あたり6,000万ガロンを目標としている19。これが大規模に機能するかどうかは、この業界の次の10年について多くのことを物語るだろう。

次の罠

これで私たちは惑星の話になる。

1961年のケネディの2つの偉大な演説は、水と宇宙を並行したブレークスルーとして位置づけた。60年を経て、それらは同じ問題であることが判明しつつある。

長期有人宇宙飛行は、根底では水の問題である。地球から水を運ぶのは不可能なほど高価である。再利用可能なロケットでさえ、軌道に打ち上げられる1リットルごとに数百ドルかかり、月面への打ち上げコストは数千ドルに上る。国際宇宙ステーション（ISS）はすでに98%の水回収率で運用されており、汗、呼気の湿気、尿を環境制御・生命維持システム（ECLSS）と呼ばれる一連のプロセスでリサイクルしている。尿処理装置（UPA）が尿を蒸留し、ブライン処理装置（BPA）がUPAで処理できない最後の2%を絞り出す20。NASA は、98%が火星ミッションを実行可能にするかどうかの閾値であると計算している。宇宙飛行士たち自身の告白によれば、彼らは地球上のほとんどの人が管理しているよりもきれいな水を飲んでいる21。

しかし、リサイクルされた水は新しい水ではない。恒久的な居住のためには、地球外の人類は地元の材料から水を抽出する必要があり、それらの材料は塩分を含んでいる。月の南極にある永久影領域には、推定数十億トンの水氷が、汚染物質の混合物とともにレゴリスに混ざって存在している22。火星の地下氷床は広範囲に存在するが、過塩素酸塩で漬け込まれており、これは機器に腐食性があり、低濃度でも人間に有毒な酸化化合物である。欧州宇宙機関のマーズ・エクスプレスは、その塩分含有量が非常に高いためにのみ液体のままである地下の塩水池を特定している。これは、淡水化エンジニアの観点から言えば、アメリカ南西部の汽水地下水とほとんど同じ問題であり、ただ最寄りの配管工からかなり離れた場所にあるだけである23。

NASA はその答えを積極的に試作している。エイムズ研究センターのリン・ロスチャイルドのチームは、遺伝子操作されたバチルス・サブティリス菌を使用して火星の過塩素酸塩を無害な塩化物と酸素に分解するバイオ触媒リアクターを開発しており、後者は好都合なことに呼吸可能な空気に直接送られる24。セントルイスのワシントン大学では、火星の塩水を単一の統合プロセスで直接水素、酸素、飲料水に変える電解システムが実証されており、化学反応を複雑にするまさにその過塩素酸塩を利用している25。2025年初頭の IM-2 PRIME-1 ペイロードを含む月面ミッションは、すでに南極のレゴリスに穿孔し、氷の特性を評価している26。インドのチャンドラヤーン4号、JAXA-ISRO 共同の LUPEX ミッション、NASA の VIPER ローバー、そしてより広範なアルテミス計画はすべて、ほぼ同じ方向を目指している27。

フリーポートからポソ・イスキエルド、マリブ、そして火星へと至る線は、1961年6月のあの夜にケネディが示唆したものである。文明は淡水の上に成り立っている。淡水ではない水から淡水を作るという行為は、熱、圧力、膜、あるいはまだ設計されていない巧妙な微生物によるものであれ、人間が乾燥した場所に住む未来の基盤技術である。アラビア半島はそのような場所の一つである。アメリカ南西部も別の場所である。月の南極は三番目、火星は四番目である。

「ポソ・イスキエルドとシャクルトン・クレーターは、ある深い意味で、同じプロジェクトである。」

そして、ここに奇妙なことがある。1961年にテキサス海岸の風の強い場所に世界初の産業用海水淡水化プラントを建設した国は、現在、世界全体のごく一部の能力しか運用していない。その最大の単一施設であるサンディエゴ北部のカールスバッドプラントも、サウジアラビアの6つの施設に圧倒されている。技術は広がり、成熟し、グローバル化した。コストは桁違いに下がった。膜はより良くなり、ポンプはより静かになり、エネルギー回収装置はより洗練された。ケネディのもう一つのムーンショットは、独自の静かなスケジュールで、多かれ少なかれ着陸した。

それがまだ成し遂げていないのは、ケネディが望んだ方法で、私たちの時代の目に見える科学的成果を矮小化することである。人類の大半は今でも、海から100マイル以内に近づいたことのない水を飲んでいる。最大のプラントは、最も貧しい国ではなく、最も裕福な乾燥国に集中している。火星の氷河から飲料水を汲み上げるための工学は、内陸のモーリタニアから手頃なコストで水を汲み上げるための工学が大規模に展開される前に、NASA の研究所で試作されている。この順序が戦略的過ちなのか、それとも各プログラムが互いを加速させる賢明な分業なのかは、未回答の疑問である。

ケネディは1961年の春に1ヶ月間隔で2つの演説を行い、どちらも不可能なことを日常的なものに変えることについてだった。最初の演説は1969年までに月に人間を送り込んだ。二番目の演説はまだ進行中である。60年を経て、2つは予期せぬ場所で収束しつつある。スペインの実証プラント。サウジアラビアのメガプロジェクト。マリブの海底ポッド。火星の氷を飲むために設計された NASA のバイオリアクター。

世界は水に満ちている。私たちは渇いている。ケネディのもう一つのムーンショットは、彼が考えていたよりも長い軌道をたどってきた。65年を経て、それはついに帰ってこようとしている。

出典

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