21世紀の課題ー科学技術
20世紀においては、産業革命時代の技術が展開していって、方や民需用途へ、そして一方では軍事技術へとつながっていった。先進国では自動車や電化生活を謳歌できるようになった一方で、戦争という大量殺戮に脅かされ、冷戦なる緊張状態の世界を強いられた。そこでは地球という掛け替えのない存在を、人類という勝手で傲慢な生物がしたい放題をなして、多くの負の遺産を作ってしまったのである。
もちろん、正の遺産にも目を向けなければならない。20世紀の科学は、19世紀以来の伝統的世界から飛躍して物理、化学、生物学、数学などの分野において目覚ましい発展があり、宇宙物理学、高分子化学、バイオサイエンス、コンピュータサイエンスなど新しい文明世界を切り開いた。
21世紀においてもこれら前世紀の遺産を受け継ぐのは当然のこととして、しかし新しい視点からの取り組みが行われようとしている。すなわち、人々の中から世界的規模で、掛け替えのない地球を守ろうとする動きが始動しているのであって、そこには科学技術の責任は極めて重いものがあり、そのような自覚が世界的にどれだけあるのか、そういう目で本稿を論じてみたい。
(1)物理・天文学
現在は天文学の黄金期とされ、重要研究テーマが目白押しの状態となっている。その成果を現実世界にいかに役立てるか、テーマの優先度と研究資源配分いかんにかかっている。日本学術会議物理学委員会/天文学・宇宙物理学分科会による「天文学・宇宙物理学の展望と長期計画」(2009年パブリックコメント版)の提言を参考に、代表的テーマを取り上げる。
�￣�宙の起源・物質の根源
ヒッグス粒子、ダークマター、ダークエネルギーの発見が期待される。中でもダークマターが重要である。ダークマターとは、宇宙を構成する三組成*の中の一つである未知の物質のことで、その特性として電荷を持たず、非常に重く、安定であるとされ、素粒子では説明ができない物質なのである。
その存在は、これまでの観測で直接に観ることはできていないが、間接的に示されている。たとえば、渦巻き銀河内で光では観測できないが重力を感じる物質があることが立証され、また、非常に重い物質があると光が曲げられる「重力レンズ効果」からも示された。さらに、ダークマターが目に見える物質であるチリやガスを引き寄せることにより、星や銀河を形成したことも明らかにされている。
地球上にも存在すると考えられているが、いまだ実験的に直接捕えられていない。もし直接観測に成功すれば、その正体を解明することができ、宇宙創成メカニズムの理解が大きく進展するだけでなく、まったく新規な材料発見へつながることも期待されている。
* 宇宙の組成は、既知の陽子や中性子など"目に見える"(観測されている)物質が全体の約４％、その５〜６倍あるダークマター、残りはダークエネルギーと呼ばれている正体不明のものである。
��宇宙の生命と地球の生命
21世紀の生命研究は、宇宙の場において全く新しい展開を迎えるかもしれない。すなわち、太陽系では火星やエウロパ、タイタンなどの惑星や衛星において、地球とは違った生命やその痕跡発見が期待される。一方1995年から発見が続いた太陽系外惑星では、地球規模の小型岩石惑星を発見し、そこでの生命存在を明らかにすることが期待される。
�１�宙の諸現象の解明と新たな謎
太陽については、黒点など長周期の宇宙気候と、地球温暖化問題との関連が明らかにされよう。
銀河については、活動銀河核とブラックホールの関係解明が焦点となり、とくにブラックホールは宇宙の重要な基本構成要素であって、その起源・環境との相互作用解明は、宇宙史の理解に不可欠で本質的課題なのである。
銀河の化学進化は、星間ガスからの星の誕生と進化、そしてその最終段階で星が星間空間にガスを戻すサイクルの繰り返しにより引き起こされる。その過程で、惑星や人類の体の材料となる重元素(酸素や炭素)が生成され、やがて生命を誕生させる。これらの現象を理解するには、ガンマ線バースト起源の解明、Ｉａ型超新星モデルを対象とした宇宙の加速膨張と鉄の起源解明、さらには中性子星とブラックホールに関する形成・モデルの確立が望まれるのである。なお、中性子星の内部の物質状態は、超高密度物質・原子核物理・超伝導や超流動などの物性物理学と関連しており、基礎物理学への意義も大きいとされる。
星形成については、星間物質関連で分子雲の形成過程解明がなされる必要がある。そして、星間化学関連で多様な星間分子や星間塵の形成と進化が焦点となり、とくに星間塵における特異な化学反応および複雑な有機高分子がいつどこで生まれるのか、関心が高まっている。
以上の研究が進む中で、新たな展開・新たな謎が生まれることは避けられない。とりわけ、重力波や粒子線天文学などの、新しい観測手段にかかる期待は大きいなものとなろう。
�け�宙への進出
宇宙空間からの観察は益々盛んとなり、また無人惑星探査機の活躍が一層期待される。これまで述べてきた� 銑�のテーマへの寄与には、なくてはならない手段であることはいうまでもないことである。
�ケ�宙と人間・文明
こうして自然や宇宙を理解することにより、宇宙の中の人間として、人類は自己認識をさらに深めていくことになるはずだ。文明自体の危機すら叫ばれ始めている現在、地球と人類持続の指針を提示することは21世紀の科学の重大な責任なのである。天文学・宇宙物理学は、大きな自然と歴史的・科学的視点から、そうした活動に寄与するであろう。
(2)エネルギー資源
エネルギー分野における科学技術の役割は、かなり明確になっている。まず地球温暖化問題の指針を定めること、そして炭素系エネルギー資源の持続的利用を図ること、再生可能エネルギー資源としての電池開発を確かなものとすること、そして長期的課題として超伝導や核融合について見極めることなどである。また一方では省エネルギー分野において、革新的技術開発を推進することである。
�｜狼絏甲伐縮簑�
地球全体の温度上昇を対象とするほど、人類の活動による廃熱や廃物質を含めた地球に起こる様々な事象の存在とその相互作用による効果については、複雑で理解を難しくしていることはない。それに、問題が起こるとすれば海面上昇であるから、こちらは実測データで実証できるのであって、そう遠くない時点で決着がつくであろう。
むしろ問題は、温度上昇に伴う地域的現象、たとえば台風、ハリケーン、集中豪雨、干ばつなどの頻度増とその規模拡大なのである。これらが地球温暖化といかなる関係があるのか、そしてそれが炭酸ガスを初めとする温暖化因子によるものであるか同定することが最も必要とされる。
��炭素系エネルギーの持続的利用
地球が生命を生み育てたのは、太陽光・熱、空気、水、炭素系材料があったからに他ならない。植物は炭酸ガスを吸収して、太陽光による光合成で酸素を排出しながら育った。そして地中で長い時間をかけて化石燃料となった。
この化石燃料は、エネルギー資源としては特性的に最も優れたものであって、その優位性はこれからも変わることはない。唯一の問題は、燃焼に伴い必ず炭酸ガスを排出することであって、この炭酸ガスの処理が難しいことに問題が尽きる。
人類の選択肢として、化石燃料の利用効率を高めるとともに、自然エネルギーと併用するなど、できるだけその消費量を抑える(持続的利用)ことを図らねばならない。そして究極の対策として、炭酸ガスの直接処理を自然エネルギー利用により行うことである。
��再生可能エネルギー資源としての電池
自動車による化石燃料使用は、廃熱と炭酸ガス排出による地球温暖化の原因として、重要な位置を占めている。それで、代替案としてエネルギー効率の高いリチウムイオン電池の利用が始まろうとしている。この電池の性能と価格を、一般利用可能なレベルに落ち着かせる技術開発が必須となる。あるいは電極材として新方式による電池が出現する可能性もあるだろう。
そうすると、電池を充電するのに電源をどうするかという問題が起こる。家庭や事務所ならば夜間の安い電力利用ができるが、ガスステーションに替わる充電場所においては、太陽電池によるエネルギー供給が考えられる。太陽電池は、家庭や事務所の補助電源としても利用可能であるから、便利な話となるのである。
�つ凝粗魁Τ僕珊腓覆斌ね莎蚕僂悗亮茲蠢箸�
送電による電力損失を防ぐには、超伝導線が理想である。リニア・モーターカーや核融合などでも、超伝導線が欠かせない。液体窒素レベルの超伝導材料が発見されたが、実用段階にあるとは言えない状態である。新材料の発見が望まれる。
核融合については、超伝導材料以外にも炉材や支持材などにも新材料が必要とされる。究極のエネルギー資源として人類の期待が寄せられているので、宇宙物理学の知見などを参考に開発推進を図ってもらいたい。
(3)省エネルギー・高効率化運転
化石燃料によるエネルギー創出が趨勢として漸減する方向にあるので、当然利用側のエネルギー消費も低減させる、あるいはエネルギー使用効率を高める方向に向かわなければならない。また、再生可能エネルギーは効率が劣るのであるから、利用側の配慮は当然のことである。
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��.発電
発電においては、天然ガスを燃料として、コンバインドサイクル発電方式とするのが主流となろう。やむなく石炭を使わざるを得ないケースにおいても、同方式が推進されるべきである。
��.製鉄
国内炭酸ガス排出の15％は鉄鋼業界とされ、炉の更新時期に来ていることもあって、ＳＣＯＰＥ21*という次世代コークス炉の導入が本年開始された。この方式によると、前工程で石炭に急速加熱処理を施して水分を飛ばし、炉内での加熱時間を短くすることにより、生産性が向上し、加えて温暖化対策や資源問題の解決につながるなど、複合的な効果がある。
さらにその先の技術として、一酸化炭素ではなく水素で還元する新しい製鉄法として「革新的製鉄プロセス技術開発ＣＯＵＲＳＥ50*2」が研究されている。炭酸ガス排出の抑制と、その分離・回収により、同排出量を約30％削減する技術を開発するというもので、2030年頃までに技術を確立し、2050年までの実用化・普及を目指すという。
* Super Coke Oven for Productivity and Environmental enhancement toward the 21th century の略語。経済産業省が音頭をとって国家プロジェクトとして開発してきた技術である。
*2 水素ガスによる還元方式ならば、従来の一酸化炭素ガスの場合に比べ、鉱石中の浸透速度は約５倍高速となり、急速な還元反応が可能となる。これにより炭酸ガス排出が低減し、プロセスとして省エネが達成されるとする。炭酸ガスは別途回収して、処理することになる。
��.電子
パワー半導体の市場規模は、2008年で265億米ドルとされる。その種類はサイリスタやバイポーラ・トランジスタなどから、MOS FET(metal oxide silicon field effect transistor)やIGBT(insulated gate bipolar transistor)へと進展し、応用分野も家電製品からＯＡ、産業、医療、電気自動車、鉄道、電力インフラに至る幅広い分野へと拡大している。
しかし，従来のシリカを使ったパワー半導体は、理論的な性能限界に近づいており、飛躍的な性能向上を期するにはＳｉＣ、ＧａＮ、ダイヤモンドなどの材料を使った次世代型パワー半導体を開発しなければならない*。これによりパワー半導体のオン抵抗を下げ、電力変換回路の電力損失を大幅に削減することが可能となる。たとえばＳｉＣパワー半導体なら、Ｓｉ系に比べて電力損失を70-90％削減できると予想されている。これは、ハイブリッド自動車や電気自動車のモーター駆動用インバータとして適していることになる。
ＳｉＣパワー半導体の開発状況は、ウエハー技術とプロセス技術の両面ともかなり進んできているが、問題はウエハー価格がＳｉの数十倍と高価なことである。現在は米社が独占しているが、国内企業も参入を図っており、2015年ごろにはＳｉウエハーの数倍にまで下がってくると予測している。
* ＳｉＣやＧａＮのバンド・ギャップはＳｉの約３倍、破壊電界強度が１０倍以上ある。また高温動作、高い熱伝導度、大きな飽和電子ドリフト速度などの特徴もある。
�⊆�動車
短距離走行用小型車では、車体を軽量化すると共にリチウム電池など二次電池をエネルギー源として、新設計による省エネ快適運転可能車を開発することだ。長距離走行車には、ガソリンエンジンと二次電池/モーター駆動を併用するハイブリッド方式が推進されよう。電子制御により省エネ効果が大幅に増すことになる。
�２板蹇�事務所
家庭など小規模住宅においては、住環境を断熱化した上で、省エネタイプのエアコンや床暖房を配置し、必要なら太陽電池の導入を図ることになる。事務所や集合住宅においても考え方は同じで、補助エネルギー源として固定型燃料電池の導入が望ましい点が異なる。
(4)化学
日本において提唱されているグリーン・サスティナブル・ケミストリー(Green Sustainable Chemistry、略してＧＳＣ)とは、生態系に与える影響を考慮し、持続成長可能な化学工業のあり方を提言する環境運動である*。2007年には経済産業省とNEDOが、ＧＳＣ分野の技術戦略マップを作成し、逐年でブラッシュアップしている。この技術戦略マップでは、生産プロセス及び原料の両面から技術革新を実現するため、技術開発テーマと2050 年までの目標を掲げている。
ＧＳＣを推進するには、化学工業で使用される化学物質を、製造から廃棄・再生まで網羅的に量的監視下に置き、それらをコントロールするための法規制を行い、そしてそれを達成するための環境負荷が小さく、従来よりも高効率な化学プロセスの開発をすることになる。法規制としては、日本においては「特定化学物質の環境への排出量の把握等及び管理の改善の促進に関する法律」(化管法)を中心に法整備が進められている。
以下に新規プロセス開発の例を示す。
* グリーン・ケミストリーは、米環境省（EPA）が化学製品の生産から廃棄までの全ライフサイクルにおいて生態系に与える影響を最小限にし、且つ経済的効率性を向上させようとする次世代の化学工業の改革運動である。一方、サスティナブル・ケミストリーはヨーロッパを中心としたOECDが提唱した環境政策で、化学製品が生態系に与える影響の他にも、リサイクルによる省資源化を通じて持続成長可能な産業のあり方を提案したものである。日本のＧＳＣは、両者を統合した点で21世紀に通用する概念であるといえる。
�．淵ぅ蹈鸚渋す�程における環境負荷削減ー東京化成工業（株）
アジピン酸はナイロン66の材料として世界で年間約260万トン合成されている。現在のアジピン酸の合成法は二段階からなり、1）出発物質であるベンゼンに水素を添加して得られるシクロヘキサンやシクロヘキセンを酸素化する第1工程と、2)得られた生成物を硝酸により酸化する第2工程からなる。 この方法では硝酸を使用することに起因する亜酸化窒素が発生する。亜酸化窒素は、二酸化炭素の300倍以上の温室効果をもつ強力な温室効果ガスであることから、アジピン酸合成において亜酸化窒素の発生を削減することは、非常に重要である。
そこで、現在の合成プロセスを改良するために、アジピン酸を一段階の反応で得ることが試みられている。この新合成プロセスでは、ベンゼンに特殊な触媒の存在下で酢酸を反応させ、一段階の反応でアジピン酸を77％の高収量で得ることに成功した。
�▲�ラル化合物の不斉合成法ー野依博士
キラルな化合物とは、同じ分子から構成されていても立体的な構造が異なる化合物のことで、右手と左手のように鏡像の関係にある。このようなキラル化合物のうち、有用な方だけを合成することが必要になるが、従来の合成方法では一方のキラル化合物だけを合成することは困難であった。
野依博士*は、ルテニウム錯体を触媒にして、香料・医薬品の原料であるメントールを効率的に合成する方法を開発した。元々メントールには立体的に構造の異なる八種類の異性体が存在するが、野依博士の開発した触媒では、このうちの一種類の異性体を効率的に合成できる。この方法が開発されるまでは、異性体の混合物の中から目的とする異性体のみを分離する必要があったが、新しい方法により、製造プロセスが大幅に簡略化されたのである。
* ノーベル化学賞受賞者。
��インクジェット技術を用いた電子デバイスの量産技術ーセイコーエプソン（株）
液晶ディスプレイ用の機能性薄膜の製造にインクジェット技術を応用することにより、新規原材料の使用量、エネルギー使用量をともに従来の１／４に低減することに成功した。従来の液晶ディスプレイ用薄膜では、カラーフィルターの製造時には４回の塗布工程が必要であったが、インクジェット技術を用いて複数の薬品を一度に塗布することにより、1回の工程で塗布を完成させることができるようになった。また、液晶配向膜の製造では、インクヘッドを用いて均一に材料を塗布することで、従来のローラー等を用いた方法よりも廃液を削減することに成功した。
(5)情報通信(ＩＴ)
有線、無線を問わず、グローバルにＩＴインフラが整備されていくことになろう。各自は端末機だけを持って、世界と情報交換できるクラウド環境において、仕事はもちろん、教育による教養を高めたり、あるいは趣味を楽しんだりと、ＩＴを活用することが可能となる。もちろん翻訳などのサービスは自由に受けられる。そのために開発されなければならない科学技術を指摘しておく。
�。稗團ぅ鵐侫�
まず高速大容量通信可能な通信網が、世界的に整備されなければならないが、それには通信衛星の利用が望ましい。通信規格は世界標準で定められるのはもちろんである。
そしてクラウドサービス環境が配備されることになる。標準的なＯＳと基本ソフトを備えていて、その上に顧客の要望に応じた応用ソフトを提供できるようになるはずだ。顧客は、携帯型もしくはノートブック型の端末を利用して通信するというわけだ。
なお、通信網あるいはクラウドシステムにおいては、(3)�●�.で既述のパワー半導体が活用されよう。
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一般用途では、ウィンテルやアップルの時代は終焉し、オープン・ソース系ＯＳの動く新端末が開発されていくだろう。
ところで、現代のコンピューターの心臓部プロセッサの半導体では、マイクロエレクトロニクスを飛躍的に向上させ、ＬＳＩ（大規模集積回路）から超ＬＳＩ、さらに超超ＬＳＩと発展させてきた。しかし半導体技術の進化速度を予測する「ムーアの法則」によると、２０２０年頃には半導体は原子とほぼ同じ大きさまで小型高密度化されることになる。しかし、半導体製造プロセスでは光を利用する関係上、光の波長の限界が半導体の限界となるのである。
そうすると、量子コンピュータの世界へと入って行かざるを得ない。量子力学を基礎にした重ね合わせの原理を用いる事によって、従来のコンピュータのように０、１の二種類だけで処理していくのではなく、０と１が重ね合った状態を無数に用意して、それぞれに情報を処理する事で、一度に大量の情報処理が行える事が可能となる。このため量子コンピューターは、素子二つで２の２乗、そして素子が３２個あれば約４０億のデータの同時出力が可能になり、１台で現行ＰＣ数億台分に匹敵するという、想像を絶した性能を有することとなる。
当然のことながら量子コンピューターでは、従来のコンピューターとはまったく違ったアプローチで開発される。その鍵が、原子レベルの世界に対応するナノテクノロジーおよび超伝導回路技術という。実現は21世紀半ば以降とされる。
(6)バイオテクノロジー
20世紀後半に解明されたＤＮＡ構造は、人類に新しい生物世界の存在を知らしめた。遺伝子解析は短時間で極めて正確に行えるようになり、解析コストも個人で容易に支払えるレベルにまで至っている。したがってデータは現在豊富に蓄積されており、有用な情報が得られて、早くも実際の医療現場でも役立つようになっている面も見られる。
一方では、無限ともいえる多様多数の膨大なデータに、手を拱く場面も多々見受けられる。21世紀では、がんなど治療の困難な病気に役立つ情報を効率的に得るシステムを構築しなければならない。
�ヾ霑淡Φ罎販彎憶�用を結びつけるインテグレーションリサーチ
遺伝子解析の基礎研究段階から、その遺伝子の生物学的特性情報に基づいて研究した結果、有望な治療薬開発に至った例が最近見られた。それは英国がん研究所アシュウオーズ教授らによるもので、がんリスク遺伝子であるＢＲＣＡ２の研究を始点とする。この遺伝子に変異が生じるとＤＮＡ損傷が起こり、がん化リスクが高まるのだが、教授はこの変異遺伝子ががん細胞を攻撃する作用もあるのではないかと考えたのだ。たまたまオラパリブという薬剤を開発していた企業責任者からの情報に接し、同薬剤がＤＮＡ切断箇所の修復に必要な酵素であるＰＡＲＰを阻害するとのことで、マウス実験で確かめた上で乳がん患者への臨床実験に踏み切り、大きな効果を確かめたのである。
現在、教授はすべての腫瘍を、それぞれの明確な遺伝学的特徴によって攻撃する治療を行うべく、患者の遺伝子レベルや分子レベルのプロファイルを収集する計画を立てている。
��国際ヒト・エピゲノム・コンソーシアム(ＩＨＥＣ)
ゲノムの塩基配列は、概して相互に類似性が高くて、生物がもつ多様性を説明することはできない。だいたい、類似性の高い遺伝コードはどんな仕組みによって、時期、環境条件、細胞において、それぞれ一意的に発現するのか、謎は多い。しかし、その謎の多くは、エピジェネティクス*によって説明できる可能性はあると考えられた。
膨大な新データに圧倒されていたエピジェネティクス研究者の中から、エピゲノム、すなわちゲノム全域でのエピジェネティクス修飾マップに絞って、それを解明するプロジェクトが議論され、2010年1月ＩＨＥＣ立ち上げにこぎ着けた。この研究が進めば、健康と病気、とくに治療の困難ながんのような病気に関する情報が得られることが期待されている。
* ＤＮＡとその関連蛋白質の化学修飾が原因で生じる、遺伝子発現の変化のこと。
��再生医療への道
京都大学/山中伸弥教授が、2006年世界で初めてｉＰＳ細胞*の作製に成功した。この細胞は、人間の皮膚などの体細胞に、極少数の遺伝子を導入し、数週間培養することによって、様々な組織や臓器の細胞に分化する能力と、ほぼ無限に増殖する能力をもつ多能性幹細胞に変化する。
これにより、ｉＰＳ細胞を使って、病気の原因の解明、新しい薬の開発、細胞移植治療などの再生医療に活用できることになる。たとえば、難治性疾患の患者の体細胞からｉＰＳ細胞を作り、それを神経、心筋、肝臓、膵臓などの患部の細胞に分化させる。そして、その患部の細胞の状態や機能がどのように変化するかを研究することで、今までわからなかった病気の原因が解明できる可能性がある。
また、その細胞を利用すれば、人体ではできないような薬剤の有効性や副作用を評価する検査や毒性のテストが可能になり、新しい薬の開発が大いに進むと期待される。そして、安全性が確保されたならば、患者由来のｉＰＳ細胞から分化誘導した組織や臓器の細胞を移植する、細胞移植治療のような再生医療への応用もできるようになるのである。
* 人工多能性幹細胞 (induced pluripotent stem cell）の略語。
�す臉�生物学
ＤＮＡや蛋白質などの生体構成物質を目的に応じて人工的に改変し、それらを組み合わせて擬似生体システムを構築することにより、生命システムを理解しよとするのが合成生物学である。バイオテクノロジーが急速に発達しているので、一見たやすく実現しそうに思うのだが、人知の及ぶ範囲は狭いことを知らされ、未知数の分野であるのが実情である。
その理由は、パーツと呼ばれる特定のＤＮＡ塩基配列そのものの役割を解明するのに膨大な実証試験を行わなければならないこと、そしてそれらパーツが組み合わさると、さらに複雑さが極度に増すことにある。
数少ない成功例として挙げられる米カリフォルニア大キースリングの場合、10個余りの遺伝子を使って、抗マラリア化合物の前駆体を微生物内で生産するのだが、この経路に関与する遺伝子の同定と、それらの発現を制御するためのパーツの開発や改良作業を、一人の研究者が行ったら150年かかったであろうという。
ともあれ、意欲的な研究者が実在するのは事実で、進展を期待する向きは多いようだ*。
* バイオエネルギー資源として注目され始めた藻の、人工合成などの例がある。
(7)農業
生物の成育に欠かせない燐資源が枯渇する問題が論じられるようになっている。代替する材料はないので、資源量を的確に把握必要があり、またリサイクル資源として回収するシステムの構築が必要となろう。
�［媚餮士未隼藩冦�
現在推定されるデータによると、燐灰石として、モロッコ・西サハラが最大で全体の267億トン、次いで中国が141”、米と南アがそれぞれ46”、40”、その他126”、計620億トンとされる。すなわち、埋蔵場所が限定されているのも問題となる。
使用量は、2008年で1.6億トン程度で、年2.5-3%伸びていくとして、100年程度はもつとされる。しかし、世界的人口増問題から資源の争奪戦が激しくなり、価格が高騰する可能性は否定できない。
��代替資源
排水中の燐化合物から再生することが最も可能性あるとされる。とくに家畜の排泄物が有効である。すべて回収できれば、現行必要量の3割程度は供給可能との見方がある。
もちろん、正の遺産にも目を向けなければならない。20世紀の科学は、19世紀以来の伝統的世界から飛躍して物理、化学、生物学、数学などの分野において目覚ましい発展があり、宇宙物理学、高分子化学、バイオサイエンス、コンピュータサイエンスなど新しい文明世界を切り開いた。
21世紀においてもこれら前世紀の遺産を受け継ぐのは当然のこととして、しかし新しい視点からの取り組みが行われようとしている。すなわち、人々の中から世界的規模で、掛け替えのない地球を守ろうとする動きが始動しているのであって、そこには科学技術の責任は極めて重いものがあり、そのような自覚が世界的にどれだけあるのか、そういう目で本稿を論じてみたい。
(1)物理・天文学
現在は天文学の黄金期とされ、重要研究テーマが目白押しの状態となっている。その成果を現実世界にいかに役立てるか、テーマの優先度と研究資源配分いかんにかかっている。日本学術会議物理学委員会/天文学・宇宙物理学分科会による「天文学・宇宙物理学の展望と長期計画」(2009年パブリックコメント版)の提言を参考に、代表的テーマを取り上げる。
�￣�宙の起源・物質の根源
ヒッグス粒子、ダークマター、ダークエネルギーの発見が期待される。中でもダークマターが重要である。ダークマターとは、宇宙を構成する三組成*の中の一つである未知の物質のことで、その特性として電荷を持たず、非常に重く、安定であるとされ、素粒子では説明ができない物質なのである。
その存在は、これまでの観測で直接に観ることはできていないが、間接的に示されている。たとえば、渦巻き銀河内で光では観測できないが重力を感じる物質があることが立証され、また、非常に重い物質があると光が曲げられる「重力レンズ効果」からも示された。さらに、ダークマターが目に見える物質であるチリやガスを引き寄せることにより、星や銀河を形成したことも明らかにされている。
地球上にも存在すると考えられているが、いまだ実験的に直接捕えられていない。もし直接観測に成功すれば、その正体を解明することができ、宇宙創成メカニズムの理解が大きく進展するだけでなく、まったく新規な材料発見へつながることも期待されている。
* 宇宙の組成は、既知の陽子や中性子など"目に見える"(観測されている)物質が全体の約４％、その５〜６倍あるダークマター、残りはダークエネルギーと呼ばれている正体不明のものである。
��宇宙の生命と地球の生命
21世紀の生命研究は、宇宙の場において全く新しい展開を迎えるかもしれない。すなわち、太陽系では火星やエウロパ、タイタンなどの惑星や衛星において、地球とは違った生命やその痕跡発見が期待される。一方1995年から発見が続いた太陽系外惑星では、地球規模の小型岩石惑星を発見し、そこでの生命存在を明らかにすることが期待される。
�１�宙の諸現象の解明と新たな謎
太陽については、黒点など長周期の宇宙気候と、地球温暖化問題との関連が明らかにされよう。
銀河については、活動銀河核とブラックホールの関係解明が焦点となり、とくにブラックホールは宇宙の重要な基本構成要素であって、その起源・環境との相互作用解明は、宇宙史の理解に不可欠で本質的課題なのである。
銀河の化学進化は、星間ガスからの星の誕生と進化、そしてその最終段階で星が星間空間にガスを戻すサイクルの繰り返しにより引き起こされる。その過程で、惑星や人類の体の材料となる重元素(酸素や炭素)が生成され、やがて生命を誕生させる。これらの現象を理解するには、ガンマ線バースト起源の解明、Ｉａ型超新星モデルを対象とした宇宙の加速膨張と鉄の起源解明、さらには中性子星とブラックホールに関する形成・モデルの確立が望まれるのである。なお、中性子星の内部の物質状態は、超高密度物質・原子核物理・超伝導や超流動などの物性物理学と関連しており、基礎物理学への意義も大きいとされる。
星形成については、星間物質関連で分子雲の形成過程解明がなされる必要がある。そして、星間化学関連で多様な星間分子や星間塵の形成と進化が焦点となり、とくに星間塵における特異な化学反応および複雑な有機高分子がいつどこで生まれるのか、関心が高まっている。
以上の研究が進む中で、新たな展開・新たな謎が生まれることは避けられない。とりわけ、重力波や粒子線天文学などの、新しい観測手段にかかる期待は大きいなものとなろう。
�け�宙への進出
宇宙空間からの観察は益々盛んとなり、また無人惑星探査機の活躍が一層期待される。これまで述べてきた� 銑�のテーマへの寄与には、なくてはならない手段であることはいうまでもないことである。
�ケ�宙と人間・文明
こうして自然や宇宙を理解することにより、宇宙の中の人間として、人類は自己認識をさらに深めていくことになるはずだ。文明自体の危機すら叫ばれ始めている現在、地球と人類持続の指針を提示することは21世紀の科学の重大な責任なのである。天文学・宇宙物理学は、大きな自然と歴史的・科学的視点から、そうした活動に寄与するであろう。
(2)エネルギー資源
エネルギー分野における科学技術の役割は、かなり明確になっている。まず地球温暖化問題の指針を定めること、そして炭素系エネルギー資源の持続的利用を図ること、再生可能エネルギー資源としての電池開発を確かなものとすること、そして長期的課題として超伝導や核融合について見極めることなどである。また一方では省エネルギー分野において、革新的技術開発を推進することである。
�｜狼絏甲伐縮簑�
地球全体の温度上昇を対象とするほど、人類の活動による廃熱や廃物質を含めた地球に起こる様々な事象の存在とその相互作用による効果については、複雑で理解を難しくしていることはない。それに、問題が起こるとすれば海面上昇であるから、こちらは実測データで実証できるのであって、そう遠くない時点で決着がつくであろう。
むしろ問題は、温度上昇に伴う地域的現象、たとえば台風、ハリケーン、集中豪雨、干ばつなどの頻度増とその規模拡大なのである。これらが地球温暖化といかなる関係があるのか、そしてそれが炭酸ガスを初めとする温暖化因子によるものであるか同定することが最も必要とされる。
��炭素系エネルギーの持続的利用
地球が生命を生み育てたのは、太陽光・熱、空気、水、炭素系材料があったからに他ならない。植物は炭酸ガスを吸収して、太陽光による光合成で酸素を排出しながら育った。そして地中で長い時間をかけて化石燃料となった。
この化石燃料は、エネルギー資源としては特性的に最も優れたものであって、その優位性はこれからも変わることはない。唯一の問題は、燃焼に伴い必ず炭酸ガスを排出することであって、この炭酸ガスの処理が難しいことに問題が尽きる。
人類の選択肢として、化石燃料の利用効率を高めるとともに、自然エネルギーと併用するなど、できるだけその消費量を抑える(持続的利用)ことを図らねばならない。そして究極の対策として、炭酸ガスの直接処理を自然エネルギー利用により行うことである。
��再生可能エネルギー資源としての電池
自動車による化石燃料使用は、廃熱と炭酸ガス排出による地球温暖化の原因として、重要な位置を占めている。それで、代替案としてエネルギー効率の高いリチウムイオン電池の利用が始まろうとしている。この電池の性能と価格を、一般利用可能なレベルに落ち着かせる技術開発が必須となる。あるいは電極材として新方式による電池が出現する可能性もあるだろう。
そうすると、電池を充電するのに電源をどうするかという問題が起こる。家庭や事務所ならば夜間の安い電力利用ができるが、ガスステーションに替わる充電場所においては、太陽電池によるエネルギー供給が考えられる。太陽電池は、家庭や事務所の補助電源としても利用可能であるから、便利な話となるのである。
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送電による電力損失を防ぐには、超伝導線が理想である。リニア・モーターカーや核融合などでも、超伝導線が欠かせない。液体窒素レベルの超伝導材料が発見されたが、実用段階にあるとは言えない状態である。新材料の発見が望まれる。
核融合については、超伝導材料以外にも炉材や支持材などにも新材料が必要とされる。究極のエネルギー資源として人類の期待が寄せられているので、宇宙物理学の知見などを参考に開発推進を図ってもらいたい。
(3)省エネルギー・高効率化運転
化石燃料によるエネルギー創出が趨勢として漸減する方向にあるので、当然利用側のエネルギー消費も低減させる、あるいはエネルギー使用効率を高める方向に向かわなければならない。また、再生可能エネルギーは効率が劣るのであるから、利用側の配慮は当然のことである。
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��.発電
発電においては、天然ガスを燃料として、コンバインドサイクル発電方式とするのが主流となろう。やむなく石炭を使わざるを得ないケースにおいても、同方式が推進されるべきである。
��.製鉄
国内炭酸ガス排出の15％は鉄鋼業界とされ、炉の更新時期に来ていることもあって、ＳＣＯＰＥ21*という次世代コークス炉の導入が本年開始された。この方式によると、前工程で石炭に急速加熱処理を施して水分を飛ばし、炉内での加熱時間を短くすることにより、生産性が向上し、加えて温暖化対策や資源問題の解決につながるなど、複合的な効果がある。
さらにその先の技術として、一酸化炭素ではなく水素で還元する新しい製鉄法として「革新的製鉄プロセス技術開発ＣＯＵＲＳＥ50*2」が研究されている。炭酸ガス排出の抑制と、その分離・回収により、同排出量を約30％削減する技術を開発するというもので、2030年頃までに技術を確立し、2050年までの実用化・普及を目指すという。
* Super Coke Oven for Productivity and Environmental enhancement toward the 21th century の略語。経済産業省が音頭をとって国家プロジェクトとして開発してきた技術である。
*2 水素ガスによる還元方式ならば、従来の一酸化炭素ガスの場合に比べ、鉱石中の浸透速度は約５倍高速となり、急速な還元反応が可能となる。これにより炭酸ガス排出が低減し、プロセスとして省エネが達成されるとする。炭酸ガスは別途回収して、処理することになる。
��.電子
パワー半導体の市場規模は、2008年で265億米ドルとされる。その種類はサイリスタやバイポーラ・トランジスタなどから、MOS FET(metal oxide silicon field effect transistor)やIGBT(insulated gate bipolar transistor)へと進展し、応用分野も家電製品からＯＡ、産業、医療、電気自動車、鉄道、電力インフラに至る幅広い分野へと拡大している。
しかし，従来のシリカを使ったパワー半導体は、理論的な性能限界に近づいており、飛躍的な性能向上を期するにはＳｉＣ、ＧａＮ、ダイヤモンドなどの材料を使った次世代型パワー半導体を開発しなければならない*。これによりパワー半導体のオン抵抗を下げ、電力変換回路の電力損失を大幅に削減することが可能となる。たとえばＳｉＣパワー半導体なら、Ｓｉ系に比べて電力損失を70-90％削減できると予想されている。これは、ハイブリッド自動車や電気自動車のモーター駆動用インバータとして適していることになる。
ＳｉＣパワー半導体の開発状況は、ウエハー技術とプロセス技術の両面ともかなり進んできているが、問題はウエハー価格がＳｉの数十倍と高価なことである。現在は米社が独占しているが、国内企業も参入を図っており、2015年ごろにはＳｉウエハーの数倍にまで下がってくると予測している。
* ＳｉＣやＧａＮのバンド・ギャップはＳｉの約３倍、破壊電界強度が１０倍以上ある。また高温動作、高い熱伝導度、大きな飽和電子ドリフト速度などの特徴もある。
�⊆�動車
短距離走行用小型車では、車体を軽量化すると共にリチウム電池など二次電池をエネルギー源として、新設計による省エネ快適運転可能車を開発することだ。長距離走行車には、ガソリンエンジンと二次電池/モーター駆動を併用するハイブリッド方式が推進されよう。電子制御により省エネ効果が大幅に増すことになる。
�２板蹇�事務所
家庭など小規模住宅においては、住環境を断熱化した上で、省エネタイプのエアコンや床暖房を配置し、必要なら太陽電池の導入を図ることになる。事務所や集合住宅においても考え方は同じで、補助エネルギー源として固定型燃料電池の導入が望ましい点が異なる。
(4)化学
日本において提唱されているグリーン・サスティナブル・ケミストリー(Green Sustainable Chemistry、略してＧＳＣ)とは、生態系に与える影響を考慮し、持続成長可能な化学工業のあり方を提言する環境運動である*。2007年には経済産業省とNEDOが、ＧＳＣ分野の技術戦略マップを作成し、逐年でブラッシュアップしている。この技術戦略マップでは、生産プロセス及び原料の両面から技術革新を実現するため、技術開発テーマと2050 年までの目標を掲げている。
ＧＳＣを推進するには、化学工業で使用される化学物質を、製造から廃棄・再生まで網羅的に量的監視下に置き、それらをコントロールするための法規制を行い、そしてそれを達成するための環境負荷が小さく、従来よりも高効率な化学プロセスの開発をすることになる。法規制としては、日本においては「特定化学物質の環境への排出量の把握等及び管理の改善の促進に関する法律」(化管法)を中心に法整備が進められている。
以下に新規プロセス開発の例を示す。
* グリーン・ケミストリーは、米環境省（EPA）が化学製品の生産から廃棄までの全ライフサイクルにおいて生態系に与える影響を最小限にし、且つ経済的効率性を向上させようとする次世代の化学工業の改革運動である。一方、サスティナブル・ケミストリーはヨーロッパを中心としたOECDが提唱した環境政策で、化学製品が生態系に与える影響の他にも、リサイクルによる省資源化を通じて持続成長可能な産業のあり方を提案したものである。日本のＧＳＣは、両者を統合した点で21世紀に通用する概念であるといえる。
�．淵ぅ蹈鸚渋す�程における環境負荷削減ー東京化成工業（株）
アジピン酸はナイロン66の材料として世界で年間約260万トン合成されている。現在のアジピン酸の合成法は二段階からなり、1）出発物質であるベンゼンに水素を添加して得られるシクロヘキサンやシクロヘキセンを酸素化する第1工程と、2)得られた生成物を硝酸により酸化する第2工程からなる。 この方法では硝酸を使用することに起因する亜酸化窒素が発生する。亜酸化窒素は、二酸化炭素の300倍以上の温室効果をもつ強力な温室効果ガスであることから、アジピン酸合成において亜酸化窒素の発生を削減することは、非常に重要である。
そこで、現在の合成プロセスを改良するために、アジピン酸を一段階の反応で得ることが試みられている。この新合成プロセスでは、ベンゼンに特殊な触媒の存在下で酢酸を反応させ、一段階の反応でアジピン酸を77％の高収量で得ることに成功した。
�▲�ラル化合物の不斉合成法ー野依博士
キラルな化合物とは、同じ分子から構成されていても立体的な構造が異なる化合物のことで、右手と左手のように鏡像の関係にある。このようなキラル化合物のうち、有用な方だけを合成することが必要になるが、従来の合成方法では一方のキラル化合物だけを合成することは困難であった。
野依博士*は、ルテニウム錯体を触媒にして、香料・医薬品の原料であるメントールを効率的に合成する方法を開発した。元々メントールには立体的に構造の異なる八種類の異性体が存在するが、野依博士の開発した触媒では、このうちの一種類の異性体を効率的に合成できる。この方法が開発されるまでは、異性体の混合物の中から目的とする異性体のみを分離する必要があったが、新しい方法により、製造プロセスが大幅に簡略化されたのである。
* ノーベル化学賞受賞者。
��インクジェット技術を用いた電子デバイスの量産技術ーセイコーエプソン（株）
液晶ディスプレイ用の機能性薄膜の製造にインクジェット技術を応用することにより、新規原材料の使用量、エネルギー使用量をともに従来の１／４に低減することに成功した。従来の液晶ディスプレイ用薄膜では、カラーフィルターの製造時には４回の塗布工程が必要であったが、インクジェット技術を用いて複数の薬品を一度に塗布することにより、1回の工程で塗布を完成させることができるようになった。また、液晶配向膜の製造では、インクヘッドを用いて均一に材料を塗布することで、従来のローラー等を用いた方法よりも廃液を削減することに成功した。
(5)情報通信(ＩＴ)
有線、無線を問わず、グローバルにＩＴインフラが整備されていくことになろう。各自は端末機だけを持って、世界と情報交換できるクラウド環境において、仕事はもちろん、教育による教養を高めたり、あるいは趣味を楽しんだりと、ＩＴを活用することが可能となる。もちろん翻訳などのサービスは自由に受けられる。そのために開発されなければならない科学技術を指摘しておく。
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まず高速大容量通信可能な通信網が、世界的に整備されなければならないが、それには通信衛星の利用が望ましい。通信規格は世界標準で定められるのはもちろんである。
そしてクラウドサービス環境が配備されることになる。標準的なＯＳと基本ソフトを備えていて、その上に顧客の要望に応じた応用ソフトを提供できるようになるはずだ。顧客は、携帯型もしくはノートブック型の端末を利用して通信するというわけだ。
なお、通信網あるいはクラウドシステムにおいては、(3)�●�.で既述のパワー半導体が活用されよう。
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一般用途では、ウィンテルやアップルの時代は終焉し、オープン・ソース系ＯＳの動く新端末が開発されていくだろう。
ところで、現代のコンピューターの心臓部プロセッサの半導体では、マイクロエレクトロニクスを飛躍的に向上させ、ＬＳＩ（大規模集積回路）から超ＬＳＩ、さらに超超ＬＳＩと発展させてきた。しかし半導体技術の進化速度を予測する「ムーアの法則」によると、２０２０年頃には半導体は原子とほぼ同じ大きさまで小型高密度化されることになる。しかし、半導体製造プロセスでは光を利用する関係上、光の波長の限界が半導体の限界となるのである。
そうすると、量子コンピュータの世界へと入って行かざるを得ない。量子力学を基礎にした重ね合わせの原理を用いる事によって、従来のコンピュータのように０、１の二種類だけで処理していくのではなく、０と１が重ね合った状態を無数に用意して、それぞれに情報を処理する事で、一度に大量の情報処理が行える事が可能となる。このため量子コンピューターは、素子二つで２の２乗、そして素子が３２個あれば約４０億のデータの同時出力が可能になり、１台で現行ＰＣ数億台分に匹敵するという、想像を絶した性能を有することとなる。
当然のことながら量子コンピューターでは、従来のコンピューターとはまったく違ったアプローチで開発される。その鍵が、原子レベルの世界に対応するナノテクノロジーおよび超伝導回路技術という。実現は21世紀半ば以降とされる。
(6)バイオテクノロジー
20世紀後半に解明されたＤＮＡ構造は、人類に新しい生物世界の存在を知らしめた。遺伝子解析は短時間で極めて正確に行えるようになり、解析コストも個人で容易に支払えるレベルにまで至っている。したがってデータは現在豊富に蓄積されており、有用な情報が得られて、早くも実際の医療現場でも役立つようになっている面も見られる。
一方では、無限ともいえる多様多数の膨大なデータに、手を拱く場面も多々見受けられる。21世紀では、がんなど治療の困難な病気に役立つ情報を効率的に得るシステムを構築しなければならない。
�ヾ霑淡Φ罎販彎憶�用を結びつけるインテグレーションリサーチ
遺伝子解析の基礎研究段階から、その遺伝子の生物学的特性情報に基づいて研究した結果、有望な治療薬開発に至った例が最近見られた。それは英国がん研究所アシュウオーズ教授らによるもので、がんリスク遺伝子であるＢＲＣＡ２の研究を始点とする。この遺伝子に変異が生じるとＤＮＡ損傷が起こり、がん化リスクが高まるのだが、教授はこの変異遺伝子ががん細胞を攻撃する作用もあるのではないかと考えたのだ。たまたまオラパリブという薬剤を開発していた企業責任者からの情報に接し、同薬剤がＤＮＡ切断箇所の修復に必要な酵素であるＰＡＲＰを阻害するとのことで、マウス実験で確かめた上で乳がん患者への臨床実験に踏み切り、大きな効果を確かめたのである。
現在、教授はすべての腫瘍を、それぞれの明確な遺伝学的特徴によって攻撃する治療を行うべく、患者の遺伝子レベルや分子レベルのプロファイルを収集する計画を立てている。
��国際ヒト・エピゲノム・コンソーシアム(ＩＨＥＣ)
ゲノムの塩基配列は、概して相互に類似性が高くて、生物がもつ多様性を説明することはできない。だいたい、類似性の高い遺伝コードはどんな仕組みによって、時期、環境条件、細胞において、それぞれ一意的に発現するのか、謎は多い。しかし、その謎の多くは、エピジェネティクス*によって説明できる可能性はあると考えられた。
膨大な新データに圧倒されていたエピジェネティクス研究者の中から、エピゲノム、すなわちゲノム全域でのエピジェネティクス修飾マップに絞って、それを解明するプロジェクトが議論され、2010年1月ＩＨＥＣ立ち上げにこぎ着けた。この研究が進めば、健康と病気、とくに治療の困難ながんのような病気に関する情報が得られることが期待されている。
* ＤＮＡとその関連蛋白質の化学修飾が原因で生じる、遺伝子発現の変化のこと。
��再生医療への道
京都大学/山中伸弥教授が、2006年世界で初めてｉＰＳ細胞*の作製に成功した。この細胞は、人間の皮膚などの体細胞に、極少数の遺伝子を導入し、数週間培養することによって、様々な組織や臓器の細胞に分化する能力と、ほぼ無限に増殖する能力をもつ多能性幹細胞に変化する。
これにより、ｉＰＳ細胞を使って、病気の原因の解明、新しい薬の開発、細胞移植治療などの再生医療に活用できることになる。たとえば、難治性疾患の患者の体細胞からｉＰＳ細胞を作り、それを神経、心筋、肝臓、膵臓などの患部の細胞に分化させる。そして、その患部の細胞の状態や機能がどのように変化するかを研究することで、今までわからなかった病気の原因が解明できる可能性がある。
また、その細胞を利用すれば、人体ではできないような薬剤の有効性や副作用を評価する検査や毒性のテストが可能になり、新しい薬の開発が大いに進むと期待される。そして、安全性が確保されたならば、患者由来のｉＰＳ細胞から分化誘導した組織や臓器の細胞を移植する、細胞移植治療のような再生医療への応用もできるようになるのである。
* 人工多能性幹細胞 (induced pluripotent stem cell）の略語。
�す臉�生物学
ＤＮＡや蛋白質などの生体構成物質を目的に応じて人工的に改変し、それらを組み合わせて擬似生体システムを構築することにより、生命システムを理解しよとするのが合成生物学である。バイオテクノロジーが急速に発達しているので、一見たやすく実現しそうに思うのだが、人知の及ぶ範囲は狭いことを知らされ、未知数の分野であるのが実情である。
その理由は、パーツと呼ばれる特定のＤＮＡ塩基配列そのものの役割を解明するのに膨大な実証試験を行わなければならないこと、そしてそれらパーツが組み合わさると、さらに複雑さが極度に増すことにある。
数少ない成功例として挙げられる米カリフォルニア大キースリングの場合、10個余りの遺伝子を使って、抗マラリア化合物の前駆体を微生物内で生産するのだが、この経路に関与する遺伝子の同定と、それらの発現を制御するためのパーツの開発や改良作業を、一人の研究者が行ったら150年かかったであろうという。
ともあれ、意欲的な研究者が実在するのは事実で、進展を期待する向きは多いようだ*。
* バイオエネルギー資源として注目され始めた藻の、人工合成などの例がある。
(7)農業
生物の成育に欠かせない燐資源が枯渇する問題が論じられるようになっている。代替する材料はないので、資源量を的確に把握必要があり、またリサイクル資源として回収するシステムの構築が必要となろう。
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現在推定されるデータによると、燐灰石として、モロッコ・西サハラが最大で全体の267億トン、次いで中国が141”、米と南アがそれぞれ46”、40”、その他126”、計620億トンとされる。すなわち、埋蔵場所が限定されているのも問題となる。
使用量は、2008年で1.6億トン程度で、年2.5-3%伸びていくとして、100年程度はもつとされる。しかし、世界的人口増問題から資源の争奪戦が激しくなり、価格が高騰する可能性は否定できない。
��代替資源
排水中の燐化合物から再生することが最も可能性あるとされる。とくに家畜の排泄物が有効である。すべて回収できれば、現行必要量の3割程度は供給可能との見方がある。
