化石燃料の代わりに金属を燃やして熱を得ることができるでしょうか?

Aug 15, 2023

金属鉄のインゴットを燃やしてみると、長い時間待たなければなりませんが、粉末に粉砕すればすぐに燃え上がります。 これが線香花火の仕組みです。光と熱の美しい演出の中で金属粉が燃えます。 しかし、楽しみ以上の目的で鉄を燃やすことはできるでしょうか? この単純な材料は、安価でクリーンなカーボンフリーの燃料になる可能性があるでしょうか?

カナダとオランダの研究者らは、微重力下でロケット上で行われる新たな実験で、鉄の燃焼効率を高める方法を検討しており、この豊富な物質（地球の地殻で4番目に多く存在する、地球の約5％）を変えることを目指している。その質量を代替エネルギー源に変換します。

燃料としての鉄:鉄は豊富にあり、安価です。 さらに重要なことは、鉄を燃やすと副産物として錆（酸化鉄）が生成されるということです。錆（酸化鉄）は、回収やリサイクルが容易な固体物質です。 鉄を燃やしても、その酸化物を元に戻しても、その過程で炭素は生成されません。

鉄はエネルギー密度が高く、同じ量のエネルギーを生成するにはガソリンとほぼ同じ体積が必要です。 ただし、鉄の比エネルギーは低く、同じ量のエネルギーを生成する場合、鉄はガスよりもはるかに重いです。 (ガソリンの水差しを拾うことを考えて、次に同じサイズの鉄の塊を拾おうとすることを想像してください。) したがって、その重量は多くの用途には法外です。 鉄燃料の重さが車そのものと同じであれば、鉄を燃やして車を動かすのはあまり現実的ではありません。

鉄を燃やしても、その酸化物を元に戻しても、その過程で炭素は生成されません。

しかし、粉末状の鉄は、高密度のエネルギーキャリアまたは貯蔵システムとしてより有望です。 鉄燃焼炉は、産業、家庭用暖房、または発電に直接熱を提供できます。

さらに、酸化鉄は、電気または水素と反応して再び鉄になることで再生可能である可能性があります (クリーンな電気またはグリーン水素の供給源がある限り)。 たとえば、太陽光や風力などの再生可能エネルギーから余剰電力が得られる場合、錆を鉄粉に戻し、必要に応じて燃やしてそのエネルギーを再び放出することができます。

しかし、錆をリサイクルするこれらの方法は、現時点では非常にエネルギーを大量に消費し、非効率であるため、このような循環システムを実行可能にするためには、鉄の燃焼効率自体を改善することが重要である可能性があります。

離散燃焼の科学:粉末粒子は体積に対する表面積の比率が高いため、発火しやすくなります。 これは金属にも当てはまります。

適切な状況下では、粉末鉄は個別燃焼として知られる方法で燃焼します。 最も理想的な形では、炎は 1 つの粒子を完全に消費し、その後、そこから放射される熱によって周囲の他の粒子が燃焼します。 このプロセスを研究することで、研究者は鉄がどのように燃焼するかをより深く理解し、モデル化することができ、より優れた鉄燃焼炉を設計できるようになります。

現在、鉄粉の粒子が燃える速度や、さまざまな条件下でどのように熱を放出するかについてはほとんどわかっていません。

地球上で個別に燃焼させることは困難です。 完全な離散燃焼には、特定の粒子密度と酸素濃度が必要です。 粒子が近づきすぎて圧縮されすぎると、火は粒子を完全に消費する前に隣接する粒子に飛び移り、その結果、より混沌とした、より制御性の低い燃焼が発生します。

現在、鉄粉の粒子が燃える速度や、さまざまな条件下でどのように熱を放出するかについてはほとんどわかっていません。 このことが、鉄を大規模な燃料として効率的に利用する技術の開発を妨げている。

微小重力下での金属の燃焼: 4月に欧州宇宙機関（ESA）は、3つの実験装置を搭載した準軌道「観測」ロケットを打ち上げた。 ロケットが大気中を放物線状の軌道を描く中、実験では微小重力をシミュレートする自由落下が数分間行われました。

このミッションの実験の 1 つは、重力のない状態で鉄粉がどのように燃焼するかを研究しました。