Ⅰ.地球の自然環境の復元

資源パラドックス問題の解決に向けた
マルチバリュー循環研究拠点

プロジェクトリーダー
理工学部機械工学科 山末 英嗣 教授 (写真 中央)
グループリーダー

世界が抱える「資源パラドックス問題」を解決し
真の意味でのグリーンイノベーションを実現する

プロジェクト概要

「資源パラドックス問題」を誘発している製品を抽出し
技術・社会システム・政策から解決策を提示する

世界中の企業や研究者が現在、あらゆる科学技術を駆使し、人類が直面する環境問題を解決に導く「グリーンイノベーション」を創発しようと力を尽くしています。しかし中には脱炭素・脱物質を実現するために過剰に資源を投入し、かえって逆効果をもたらしている現象も見られます。

人々の生活を支えるさまざまな製品を生産するには多くの資源を必要とします。プロジェクトリーダーである山末は、これまでに「資源消費」を採掘活動量という視点から評価する「関与物質総量(TotalMaterial Requirement)」という指標を用い、さまざまな製品の資源効率を評価してきました。山末の概算によると、日本では直接的な重量という意味においては脱物質化が進んでいるものの、資源の採掘活動量、すなわち資源消費はむしろ増加していることが明らかになっています。「資源パラドックス問題」と定義づけられたこの矛盾を解決しない限り、本当の意味での脱炭素化・脱物質化はありません。

本研究プロジェクトでは、この「資源パラドックス問題」を誘発している製品を抽出し、それを回避するための方策を「技術」、および「社会システム」と「政策パッケージ」の視点から検討することで、製品の持つ多様な機能をできる限り有効に活用するマルチバリュー循環を実現し、真に持続可能な社会の構築に貢献することを目指します。

材料・加工技術、リサイクル技術の開発とともに
社会システムや制度面から課題解決に迫る

山末のこれまでの研究で、種々の製品は、製造段階の資源消費は少ないけれど使用するほどそれが大きくなる「消費段階支配型製品」と、逆に製造段階での資源消費が相対的に大きい「製造段階支配型製品」に大別できることが示されています。研究にあたっては、グリーンイノベーションに関わる種々の製品をこの二つに類型化します。それを基礎データとし、三つのグループが有機的に連携しながら研究を遂行します。

一つ目の伊藤グループは、二つの資源消費パターンそれぞれに適した材料・加工プロセスの開発に取り組みます。「消費段階支配型製品」に対しては適材適所で資源を投入し、電力といった使用段階での資源消費が小さくなるようにします。そのため材料ごとに変形、破壊、寿命などの強度特性を明らかにし、最適強度を評価する手法も含めて開発します。一方、「製造段階支配型製品」に対しては、資源を投入するのではなく組織制御あるいはリサイクル材を積極的に利用することで対応します。チームリーダである飴山は、第1 期R-GIRO において伸びと強度を同時達成する調和組織材料の開発に成功していますが、本プロジェクトではそれをさらに発展させ、チタン製高強度・高靭性材料や耐衝撃特性に優れた鉄鋼材料など、レアメタルなどを必要としないユビキタス高機能材料を創製します。また脱資源型の新しい材料加工・精密研磨プロセスの開発も試みます。さらに別角度のアプローチとして、将来多くの製品に使用される可能性が高く、しかも資源負荷が高いリチウムイオン電池に着目。私立大学としては立命館大学が唯一所有する放射光施設を活用することでリチウムイオン電池材料を構成する元素を原子レベルで分析し、電池の劣化機構の解明に挑みます。

続いて山末グループでは、三つのアプローチで高付加価値かつ低コストでリサイクルできる技術の開発に取り組みます。第一には、使用済み製品を部品ごとに分別することです。画像認識技術を用いて電子基板・電子部品を自動で高速選別する技術の開発を進めます。第二の課題は、使用済み製品・部品に含まれる多種多様な材料を選別すること。例えば電子基板には金や銀、パラジウムなどの貴金属が含まれていますが、現在のところリサイクル現場に導入可能な選別手法はありません。本グループでは、レーザー誘起ブレークダウン分光法を応用し、基板中の有価金属の組成を迅速に解析する技術を開発。画像認識技術を併用することで迅速かつ高精度なスクラップソーティング技術の確立を目指します。そして第三には、選別した材料を効率的にリサイクルすることです。リサイクルにおける大きな課題の一つは、使用済み製品をリサイクル工場に集約するのに莫大な輸送コストがかかることです。そこで本グループでは、熱源にマイクロ波を使った小規模・高効率なリサイクル技術を開発し、分散型リサイクル拠点の構築を可能にしようとしています。小型化しても熱効率が落ちにくいのが、マイクロ波の強みです。予備研究において、リチウムイオン電池に含まれるコバルト酸リチウムを還元するのに通常の電熱炉では約1 時間要するところ、マイクロ波では最速数十秒しかからないことを実証しています。このプロセスをリサイクルに応用し、コバルトやニッケル、リチウム、マンガン、鉛の他、希土類元素の高速・高効率還元プロセスの開発に取り組みます。

三つ目の橋本グループは、グリーンイノベーションに関わる種々の製品、および伊藤・山末各グループが開発した新しい材料や技術について、「ライフサイクル」という視点から環境影響低減効果や資源効率の変化を定量的に評価します。加えて社会システムによって資源消費を抑える方法にも注目します。自動車を事例としてシェアリングの社会実装によって社会全体で資源利用強度やライフサイクル二酸化炭素排出量がどのように変化するかを予測し、カーシェアリングが効果的になるための条件・戦略を立案します。これらの研究成果を、伊藤・山末グループが開発した技術を社会実装するための政策・施策の提言へとつなげます。

「関与物質総量」データベースを強みに研究を推進
世界にイニシアティブを取る国際研究拠点を目指す

本プロジェクトでは
積極的な海外交流・留学を支援します
(写真はフランスでの共同研究シーン)

多くの企業や政府は「資源パラドックス問題」に薄々気づいていながら、それを可視化する手だてがないために問題解決に着手できないでいます。それに対し、1000 を超える素材・中間製品・エネルギーについて高品質な「関与物質総量」のデータベースを構築しているのが本研究プロジェクトの強み。その圧倒的なアドバンテージを活かして「資源パラドックス問題」を誘発している製品・プロセスを明示するとともに、エビデンスに基づいて具体的な解決策を世界に提言していきます。

本研究プロジェクトのメンバーは17 ヵ国38 研究機関と連携関係を構築しています。今回の研究を通じてさらに連携を広げ、資源問題研究において世界のイニシアティブを取る国際研究拠点として認知度を高めていきたいと考えています。

研究期間

2021年度〜2025年度(予定)

本プロジェクト構成

本研究プロジェクトが目指す成果イメージ図