(57)【要約】      （修正有）【課題】水素発生のための未知の物質探索と物質転換装置の収率向上。【解決手段】砂等の不要物質・廃棄物などを水素発生の物質として選び、かつＲＦ熱プラズマ発生装置、太陽光励起レーザー発生装置、プラズマトーチなどの高温プラズマ装置に静電界、磁気装置を追加する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
無限に存在しで無用の長物であった砂漠の砂をナノテクノロジーを使用して水素発生ナノ物質に転換する方法。
【請求項２】
請求項１を効率よく実現するために新規拡張・改良された三種類（ＲＦ加熱、太陽光励起レーザー、プラズマトーチ）の高温プラズマ生成装置。
【請求項３】
請求項２の高温プラズマ生成装置のエネルギー源を全て太陽エネルギーで賄うために、太陽光励起レーザーを使用するか、または、ソーラー発電で一時電力に変換してから高周波加熱やプラズマトーチの電源に用いるか、の二種類の方法。
【請求項４】
請求項２においてナノミネラルの酸化物への再結合を防止するため静電電極を追加する電気的方法。
【請求項５】
請求項２において熱プラズマの密度や温度をあげるために磁気的部品のソレノイドやミラーコイルを設置する磁気的方法。
【請求項６】
請求項２の太陽光励起レーザーの焦点をスキャンするか、噴射された砂を空間的にスキャンするかのいずれかによって点から面に照射することで相互作用領域を増加させる方法。
【請求項７】
本発明は請求項１の材料選択において砂漠・砂丘等の砂以外にも籾殻の二酸化ケイ素、廃棄ガラス、廃棄アルミ缶、ゼオライト，さらには公害物質の黄砂などをナノミネラル化する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は従来の化石燃料に替わり太陽エネルギーに基づいた持続かつ再生可能なエネルギー貯蔵を可能にするために、砂漠等に大量に存在する砂などから水素を創る方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】人類は現在の文明を持続するために必要なエネルギーの大部分を化石燃料に頼っている。この化石燃料は二酸化炭素を大量に排出するために環境温度を上昇させまた大気汚染など環境悪化の原因となっている。しかも化石燃料の埋蔵量は残り１００年間もないと言われている。【０００３】二酸化炭素を排出しない軽水炉の原子力エネルギーにおいても燃料のウランも同様の少ない埋蔵量である。代替エネルギー源としてはトリウムを燃料としたトリウム溶融塩炉の必要性が一部の識者から指摘されているが中国やインドで検討されているもののまだ実現に至っていない。（つくば経済月報、２０１８年６月号、熊田雅之）【０００４】原子力以外に化石燃料に替わるエネルギー源としてソーラーエネルギー、風力エネルギー、バイオエネルギー、地熱エネルギーなどが開発されているが量的にはソーラーエネルギーを除いて進展は遅い。【０００５】太陽エネルギーの地球に降り注ぐ電力換算密度はおよそ１ｋＷ／ｍ２と言われている。例えばサハラ砂漠の一日の発電量はおよそ６．７ｋＷｈである。平均値ではおよそ一日６時間のエネルギー照射量だ。地球最大のサハラ砂漠（アフリカ）の面積はおよそ１，０００万平方キロ＝１０ｘ１０＾１２ｍ２なのでその１％の用地が太陽エネルギーから電力に変換できたとすると時間あたりの電力発生能力はおよそ１０ＴＷだ。同様にアラビア（中近東）が２．６ＴＷ，ゴビ砂漠が１．３ＴＷ（アジア），パタゴニア（南アメリカ）が０．７ＴＷ，グレートパタゴニア（オーストラリア）も０．７ＴＷ、カラハリ砂漠（アフリカ）が０．６ｔｗ，グレートベイスン（北アメリカ）が０．５ＴＷだ。主要砂漠の１％の利用率で総計で１６ＴＷとなる。ちなみにおよそ１ＧＷは軽水炉一基分に相当する。世界の原発の総数は４３９基で全電力の１１％（ｈｔｔｐ：／／ｆｅｅｌ−ｊａｐａｎ．ｎｅｔ／？ｐ＝５５１１）であるからおよそ４，０００基の原発（あるいはトリウム炉）があれば全地球の電力はまかなえる。これは４ＴＷに相当する。ただし日照量を考慮すれば重みファクターを仮に１／４とし、さらに変換装置の効率を５０％とすれば３２ＴＷ発電できれば全消費電力をまかなえる。全自動車のエネルギーはこの全消費電力に含まれていないのでこれを電力と同じエネルギーとすれば全エネルギー＝電力エネルギー＋自動車エネルギーとして６４ＴＷ必要となる。利用率が１％の時に砂漠の合計が１６ＴＷなので全てのエネルギーを砂エネルギーだけで賄おうとすれば砂漠の面積の４％が必要となる。【０００６】太陽エネルギーからのソーラーパネルのエネルギーは装置は３０年程度という短い寿命と寿命後の使用済みパネルの廃棄問題が未解決である。また廃棄パネルを野ざらしにしておくと電圧が常時発生し安全上の問題も残っている。さらに日照のある時にしかエネルギーを供給できないので、同等以上のエネルギーを蓄えることが必須であるが、高性能・大容量のバッテリー（蓄電器）などはまだ発展途上である。電気自動車や携帯電話で必須の最先端のバッテリー材料であるリチウム資源の埋蔵量が尽きるのも２１００年だと言われており当てにできない。現状でのエネルギーは持続性において問題山積みである。そもそもリチウム電池は化石燃料で充電される上にリチウムの埋蔵量も有限なので新しいバッテリーの開発は必須である。【０００７】一方、地球温暖化ガスである二酸化炭素問題などから化石燃料をエネルギー源としている自動車が電気自動車に替わるようにＥＵや中国で法制化が決定されつつあり、供給される水素そのものの大半が化石燃料を使って作られているのが現状では解決案になっていない。水素の製造エネルギーは再生可能でなければならない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】以上のような状況下で矢部孝らは酸化マグネシウムの太陽光励起レーザーによりマグネシウムを生成し（還元反応）、できたマグネシウムと水を反応させ水素を作る方法を考案し、実際にレーザー装置プロトタイプを開発し、その太陽光でマグネシウムを単離しさらに電池を製品化するまでに至った。（特許第５１２４７２８号）の方法の利点はマグネシウム生産のための電力が直接的に再生可能エネルギーでほぼ賄えることである。マグネシウムは海水からいくらでも生成できかつ再生可能である。副産物として飲料水の製造もできる。【０００９】矢部孝らの方法ではマグネシウムと水あるいはアルカリ溶液を別々に用意し、必要な時に必要な場所で水素を発生させられる。現状の諸国の計画では水素を高い圧力の気体の状態でユーザーに供給するという方法で不便さは避けられない。マグネシウム法では水素の運搬の問題の改善をできるという点で画期的であった。しかし、この発明では酸化マグネシウムを海水から分離しその後、レーザーで純粋なマグネシウムを単離するという方法をとっているので２ステップ必要である。【００１０】マグネシウムエネルギーシステムは優れた発明であるが、この方向でさらに改善はできないか？あるいは別の観点からもっと優れた方法が考えられないか？マグネシウムを別の物質にしてもっと効率よくナノサイズにできないか？と我々は考えた。我々は砂を熱プラズマに照射する、あるいはフォーカスされたレーザー光で砂に照射することで水素生成物質を取り出すという１ステップ生成の方法を考案した。生成ステップが少ないのでコストも時間もより削減が期待できる。またマグネシウムは単独でも有用であるが、砂漠の砂は単独での利用価値は少なかったという違いがある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】我々は砂はマグネシウムを包含する物質として複合酸化ミネラル物質と考えられることに着目した。【００１２】矢部らの考察した物質はシリカ（二酸化ケイ素）を含んでいない（特許第５１２４７２８号））。まず我々はシリカを水素発生の新物質リストにつけ加えた。調査の結果、籾殻のシリカのナノサイズが高い可能性があるとわかった。籾殻には２０％前後のシリカを含み、酸化物のシリカの生成はすでに公知であった。ミネラルのナノサイズ化がで水素発生にとって必須である。ことに籾殻のシリカは大きさが１ｎｍをきることが可能でさらに有利である（ノウハウとして未公開）。【００１３】さらなる発見は砂漠の砂は主成分はシリカだがマグネシウムやその他のミネラルを多種含むことであった。砂漠の砂はミネラルの塊である。場合によっては砂にはシリカが少なくカルシウムの方が多い砂もある。サンゴなどが砂になった場合でこれもミネラルで水素発生物質に含まれる。砂は場所によって成分は多種多様である。多くの砂はなんらかの複数の有用なミネラルを含む。ナノミネラルのほとんどは水素を発生することがわかった。【００１４】砂漠では太陽エネルギーと砂が共存している。砂は複合ミネラルの酸化物である。太陽光は光束を絞ることで酸素を剥ぎ取りミネラルだけを単離（分離）可能である。電力が必要な時と場所で水と砂のナノミネラルを組み合わせることで密度の高い水素・電力を自在に作れるので電気自動車のエネルギーとしては最適である。注意すべきはこのためエネルギー貯蔵として砂漠に水が存在する必ずしも必要はない。ナノミネラルのみの形態で貯蔵可能である。【００１５】砂漠の代表例として世界最大の大きさを誇る（〜１０００万ｋｍ２）サハラ砂漠（モロッコ，西サハラ，モ―リタニア，アルジェリア，マリ共和国，ニジェ―ル，チュニジア，リビア，チャド，エジプト，ス―ダンの１１カ国にわたる）を考える。
以下がサハラ砂漠の砂が成分である。
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サハラ砂漠の砂には微量のＣＯ３が含まれているが問題はない。むしろ熱分解して単離した炭素はナノカーボンなのでミネラルと相互作用として逆に水素発生を助けることもありうる（ＮＥＤＯ海外レポ―トＮＯ．１０９４，２０１３．４．１７、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｅｄｏ．ｇｏ．ｊｐ／ｃｏｎｔｅｎｔ／１００５２２３９９．ｐｄｆ）。【００１６】上述の表のようにサハラ砂漠の砂にはＳｉ，Ｃａ，Ｍｇ，Ａｌ，Ｎａの酸化物らが含まれていて、これらを高温に加熱することでなの酸素を引き離したナノミネラルができる。これをを水と反応させれば水素が発生する。
以下にサハラ砂漠の砂から単離したミネラル成分と水の反応の化学式を示す：
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ＣＯ３は分解され静電分離されるので炭酸ガスは発生しない。【００１７】反応の効果をあげるには表面積の大きなナノ物質が優れている。ミネラルと水と単に反応させるのではなくナノミネラルと反応させる。ナノ物質は単に表面積が増えるだけでなくバンドギャップなどの電圧などの変化も伴い、物性が変化をする。【００１８】酸化ミネラル粒子から多種のナノミネラルに生成するには高温プラズマで酸化しているミネラルをバラバラにして急冷する。この方法は文献”高周波プラズマ法によりナノ粒子製造技術、２０１３年１０月号（Ｖｏｌ．６１  Ｎｏ．１０）”に開示されている。しかしこれらの装置では生成される多くのナノ物質は酸素を取り除き単離されたあと冷却時に再度酸化物に戻ってしまう。これを避けるためにプラズマ生成の段階でミネラルのプラスイオンと酸素のマイナスイオンをプラズマ発生後直ちに静電界で電気的に分離する（後述の熱プラズマ発生装置の図面ではその為の電極等は省略している）方法を考えた。【００１９】高温プラズマ発生部は摂氏１万度を超えるプラズマ温度が望ましい。その一例のナノミネラル単離機能の優れた改良型の高周波プラズマ発生装置の機能図を図に示す。概略は”問題を解決する手段の項に後述する。【００２０】酸素を単離する装置として三種の装置を原型として使い分ける。その１：高周波熱プラズマ加熱  その２：矢部孝の太陽光励起レーザー方式、その３：渡辺孝行方式のアーク放電によるプラズマ
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行）。これらの異なった加熱方法は対象とする種々の砂漠の砂などによって使い分ける。例えばガラスは高周波熱プラズマ、カルシウムには太陽光励起レーザーというふうに。砂には個性があるので砂漠の名前などを接頭語につけて種類分けをすることが望ましい。例えば砂サハラ、砂ゴビというように。これら全ての装置において冷却時の再結合の問題があるので本発明の静電分離部のようにプラズマの正負のイオンを分離する必要がある。【００２１】太陽光励起レーザーなどのプラズマ発生装置以外のＲＦ熱プラズマ装置やプラズマトーチ装置は壁からの電力会社からの電力で賄う。電力会社にはソーラーパネルなどの発電から系統ラインに供給する。本設備の発展と共にソーラーエネルギーや本発明の多種のミネラルを含む砂エネルギーに変えていくことによってエネルギー源をオール太陽エネルギーにしていく。【００２２】本発明は砂から水素を創るために考案されたが、本装置は稲の籾殻の二酸化ケイ素、廃棄ガラス、廃棄アルミ缶、ゼオライトなどのナノミネラル化においても有効である。廃棄されたガラスやアルミ缶はすでに一時処理が済んでいて追加エネルギーが少なくて済む。稲の籾殻からのシリカはさらにナノのサイズ以下にできる筆者の考案した特別な方法がある（未公開）。これでは入手不能なサブナノ物質なので価値が高い。またゼオライトはアルミニウムとケイ素が主成分ですでに入手時点で数十ミクロンのサイズなので扱い安い。他にも公害物質としての黄砂は砂漠由来で、質量が多い順にケイ素が２４−３０％、カルシウムが７−１２％、アルミニウムが７％、鉄が４−６％、カリウムが２‐３％、マグネシウムが１−３％を含有している。黄砂の粒径は数ミクロンと小さくナノ粒子にするのが容易でもある。これらの全ての物質に共通な要素はナノミネラルである。
より広い視点から考えると本発明は”砂から電力を作る”は”ナノミネラルから電力を創る”と言い換えられる。
【問題を解決するための手段】
【００２３】図に熱プラズマによる砂からのナノプラズマ発生装置の概略図を示す。砂漠から採取した砂原料は砂の入り口１から供給される。砂以外の他の原料の場合も同様である。
【００２４】プラズマガス（Ａｒ，Ｏ２／Ｎ２）・キャリアガス２が加熱部（ＲＦプラズマや太陽光励起プラズマまたはプラズマトーチ）３に導入され砂が高温のプラズマガスにスキャニング入射（図にはスキャニングの仕組みも部品も示していない）されて摂氏１万度以上に加熱される。スキャニングとは粒子線がん治療装置などで導入されているテクノロジーで小さいサイズのビームスポットを標的で移動させて照射して広い面積（２Ｄ）や体積（３Ｄ）に照射できる。
加熱された砂はミネラルと酸素が分離され高温状態が維持される。砂の構成物質の沸点は様々である：
酸化マグネシウムの沸点  ３６００℃，酸化アルミニウムの沸点  ２９７７℃，
酸化カルシウムの沸点２８５０℃，酸化ナトリウム  １９５０℃，二酸化ケイ素  ２２３０℃
マグネシウムが最も沸点が高いのでマグネシウムを単離できれば他のミネラルも全て単離できる。マグネシウムの太陽光励起レーザーの発明者の矢部孝によれば物質を必要な温度に維持するには沸点の数倍の温度が必要であるので沸点以上の１万度以上のプラズマが必要となる。
【００２５】水冷チャンバー４は高温プラズを急速冷却してナノミネラル７の生成効率をあげているが温度が下がると単離したミネラルは再結合しやすくなって生成効率を下げてしまうことが知られている。一般的には高周波熱プラズマ、太陽光励起レーザープラズマ、プラズマトーチのいずれの場合も粒子のナノ化と酸化物化が共存できないのだ。この困難な問題を避けるために加熱部３領域で電界を印可できるようにその上部と下部に電極を設け（図には省略してある）プラズマの陽イオンと陰イオンを空間的に分離して再結合を防止する。
【００２６】本装置はさらにプラズマの密度をあげるために加熱部３に磁気部品のソレノイドコイル、ミラーコイルを設置する（図では省略してある）。
【００２７】単離して冷却されたナノミネラル７は真空排気口５から排気される途中でミネラル捕捉フイルター６に捕獲される。捕獲された砂のナノミネラル７はカセット型のフイルターで取り出され保存容器に収められる。
【００２８】本装置において基本を太陽光励起レーザの構成にする場合はレーザーの焦点である超高温部の領域は１ミリ程度と小さくほとんど点と見なされる。プラズマは一瞬のうちに点で生成されるのでレーザーとミネラル酸化物の相互作用領域を増やすためにレーザーの焦点をスキャンするかあるいは噴射されたミネラルをスキャンするかを行う。これによって点が面になりえて生成効率をあげることができる。
【００２９】以上の説明では砂から取り出す複合ナノミネラルを強調したが、同じ方法と同じ装置にて籾殻からの二酸化ケイ素、廃棄ガラス、廃棄アルミ缶、ゼオライト、黄砂などのナノミネラル化が実現できる。
【発明の効果】
【００３０】本発明によれば今まで不毛であった土地の砂漠・砂丘の砂がナノミネラルになり水と反応すると水素が生成されこれが再生可能なバッテリーとなりエネルギーが保存される。これにより燃料電池への再生可能な水素供給方法が拡大できエネルギー密度が現在主流のリチウム電池を超えて理論値では数十倍向上する可能性の道が開ける（関西大学ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｍｉｃｒｏｗａｖｅ．ｄｅｎｓｉ．ｋａｎｓａｉ−ｕ．ａｃ．ｊｐ／ｆａｃｅ／ｆｒａｍｅｐａｇｅ３．ｈｔｍ  参照）。特にリチウムは埋蔵量が少ないので砂からの複合ナノミネラルがリチウムの代替品として必須になってくることだろう。
【００３１】世界の主要国（ＥＣ及び中国）では化石燃料の自動車を水素エネルギー自動車に変えることを法制化し初めているが必要な量の水素を再生可能エネルギーで作る見通しは立っていない。マグネシウムはこれに答えようという優れた提案だが本発明の砂からの複合ミネラルはこの方向を推し進めるさらに多様な新方法だ。本発明では今まで無用であった砂や籾殻や廃棄アルミニウムや廃棄ガラスなど、今までエネルギーとは無関係と思われていたゼオライト、害のみであると思われていた黄砂などをナノ物質に変換することで有用な物質に転換する。本発明は移動可能な水素発生物質は再生可能かつ持続可能なエネルギーとして使うことを可能とする。しかもその形態は固体（ナノミネラル）と液体（水）なの気体水素に比べコンパクトであるのは大きな利点だ。
【００３２】アフリカや中東など砂漠地帯では工業はおろか住居もなく職場もないが、本装置で物質転換した砂と太陽光と水によってエネルギーが生産可能となり冷暖房や植物工場により、食料や住居、食料らが可能となり雇用も作り出すことが可能となり新たに人が住み働く場を提供できる。
【００３３】本発明の砂からの水素エネルギーは量的にも化石エネルギー（石炭、石油、天然ガス）や原子力エネルギーに替わりうる新エネルギーである。化石燃料やウラン原子力エネルギーは１００年間しか持たないが本発明のソーラーエネルギーと異なり保存可能でバッテリーとして太陽の照射していない間の電力源となりうる。
【００３４】特に本発明の砂からのナノミネラルからの水素からできる”砂バッテリー”はマグネシウムバッテリーと共に資源量が少なく化石燃料エネルギーに依存しているリチウム電池の後継者になりうる可能性が高い。砂と太陽と水から電力を生成できるので本発明では”砂から電力を創る”ということができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の砂を原料とするナノミネラルの生成方法
【符号の説明】１、砂入り口
２、プラズマガス（Ａｒ，Ｏ２／Ｎ２）・キャリアガス
３、加熱部（ＲＦプラズマ、太陽光励起プラズマ、トーチプラズマ）
４、水冷チャンバー
５、真空排気口
６、ナノミネラル捕捉フイルター
７、冷却されたナノミネラル
【図１】
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