2024 年の最もクールなエンジニアリング イノベーション 5 つ

地球の気温が摂氏 1.5 度以上上昇しないようにするには、2035 年までに排出量を半分に削減する必要があります。たとえ今年化石燃料の燃焼量が新たな記録を達成する可能性が高いとしてもです。それでも、今年の受賞プロジェクトで実証された素晴らしいエンジニアリングは、私たちがこの課題に立ち向かうことができるという希望を与えてくれます。新しい種類の熱電池により、セメントから化学物質に至るまであらゆる産業プロセスの動力となる熱を脱炭素化できるようになります。新しく安価になったレーザーは、再生可能電力を使用して鉱石を製鉄用の純鉄に変えるのに役立っています。食糧問題は、さまざまな種類のイノベーションを生み出してきました。農業廃棄物を運び込んでゴミ捨て場で分解するのではなく、廃棄物を炭素隔離して土壌を豊かにするバイオ炭に処理できる収穫機スタイルのロボットを作ってみてはいかがでしょうか。害虫と戦うために、生物工学者は mRNA 干渉と呼ばれる技術を使用して、特に厄介な甲虫用の精密毒を作成することができます。今年の食における最も奇跡的な成果は、AIが作った本当に美味しいヴィーガンチーズかもしれない。

(編集者注: これは、ポピュラー サイエンスの第 37 回年次ベスト オブ 新着情報賞の一部です。2024 年の偉大なイノベーション 50 件の全リストを必ずお読みください。)

大賞受賞者

Electrified Thermal Solutions (ETS) による Joule Hive「耐火レンガ」熱電池: よりクリーンな 21 世紀の耐火レンガ

風力発電と太陽光発電のコストは低下しているものの、バッテリーのコストは依然として経済の脱炭素化にとって長引く障害となっています。結局のところ、太陽は常に輝いているわけではなく、風は常に吹いているわけではありません。この問題は、非常に高い温度を必要とし、通常は炉を 24 時間 365 日稼働させ続けるセメント、鉄鋼、ガラス、化学製品の製造などの重工業にとって特に問題です。重工業用の熱を生成するために化石燃料を燃やすことは、世界の CO2 排出量の約 17% を占めています。

この問題に対する印象的な解決策は、青銅器時代に遡る技術、つまり断熱構造に熱を蓄える耐火レンガの技術を 21 世紀に応用したジュール ハイブです。 Joule Hive はクリーンな電気を使用して、熱いセラミックレンガを詰めた輸送用コンテナサイズの箱内で華氏 3,270 度もの高温を維持します。ボックス内のチャネルは冷気流を介して工場のプロセスに熱を与え、ジュール ハイブはその熱を炎に近い温度まで加熱します。 MIT での 10 年近い研究の結果、ジュール ハイブ耐火レンガとして機能するように金属酸化物を微調整することができました。これらのレンガは、熱を封じ込める絶縁を提供する他の化合物が散在する導電性のある特定の化合物で構成されています。

電気が空気からの酸化と結合して最終的に発熱体を焼き切る古いトースターとは異なり、Joule Hive 耐火レンガはすでに酸化されています。古代の技術を取り入れたこのハイテク技術により、ジュール ハイブはより高い温度に達し、競合他社よりも少ないメンテナンスで済みます。最近のスタンフォード大学の研究では、再生可能電力で加熱される耐火レンガを世界中に広く導入すれば、重工業が熱のために燃やす化石燃料の 90% を削減できることがわかりました。 ETS は、初の商業規模の導入として、2025 年にサンアントニオのサウスウェスト研究所にジュール ハイブを導入する予定です。

Applied Carbon の移動式バイオ炭ファーム ロボット: 農業廃棄物を集めて現場でバイオ炭に変える

環境から最も多くの炭素を除去した 10 社のうち 9 社は、バイオ炭として知られる古代の方法の現代版を使用しています。木くずやナッツの殻のような特に密度の高い農業廃棄物を酸素欠乏環境で加熱する（熱分解と呼ばれるプロセス）と、バイオマスは細菌や菌類がそれ以上分解できない黒色炭素（バイオ炭とも呼ばれる）に変わります。しかし、スケールアップには問題があります。数十億トンの炭素を隔離するのに十分な密度の高い木材廃棄物が存在しないのです。

アプライド カーボン社の画期的な進歩は、茎、殻、葉の山があまり密ではないにもかかわらず、トウモロコシ、小麦、砂糖の収穫後に残る膨大な廃棄物を処理できる新しい熱分解チャンバーを開発したことでした。アプライド カーボン ロボットは現場で廃棄物を熱分解し、有益な副産物として合成ガスを生成します。合成ガスはロボットによってこすり洗いされ、チャンバー内の温度を華氏 1,400 度以上に維持するために燃焼されます。バイオ炭が堆積されるのと同じフィールドでバイオ炭を製造すると、追加の排出量と、材料を中央施設に送って戻すコストが節約されます。夏の間、同社はテキサス州のパンハンドルにあるトウモロコシ畑に 4 台のロボットを導入し、廃棄物を処理してバイオ炭を生成し、炭素クレジットを販売しました。

長期的には、同社はロボットの大型バージョンを販売またはリースする予定で、世界中のロープラントからの廃棄物が毎年約20億トンのCO2をバイオ炭として隔離できると推定している。共同創設者のジェイソン・アランブル氏は、冗談半分に、自分の将来の乗り物を、死んだロボットの代わりに茎やトウモロコシの穂軸をあさる、スター・ウォーズに出てくるジャワ・クローラーに例えています。

GreenLight Biosciences の Calantha: メッセンジャー RNA 干渉を利用した高精度の生物農薬

コロラドハムシは最も貪欲で殺虫剤に耐性のある昆虫の 1 つで、トマト、ナス、ピーマン、そしてもちろんスパッドを好んで食べます。このバグは数十種類の化学物質に対する耐性を獲得しており、世界中で年間約5億ドルの農作物被害を引き起こしています。グリーンライト・バイオサイエンス社が開発したカランサは、カブトムシを殺すためのより強力で高用量の化学物質の軍拡競争をエスカレートさせるのではなく、カブトムシの体内で重要なタンパク質の再生を妨害するように誘導された精密毒物である。精密に標的を絞った殺虫剤は非常に効果的です。さらに良いことに、GreenLight Biosciences の研究者たちは、ミツバチや他の無害な種への巻き添え被害を避けるために破壊するのにちょうど適した遺伝子を見つけるために、バイオインフォマティクス データベースを徹底的に調べました。

2006 年にノーベル賞を受賞した研究の応用であるカランサは二本鎖 RNA で構成されており、農家は典型的な殺虫剤と同様に従来の噴霧器に「ドロップイン」することができます。甲虫は RNA を摂取し、損傷したタンパク質の除去に重要な PSMB5 と呼ばれる遺伝子のメッセンジャー RNA 指示に結合することで干渉を引き起こします。これらの mRNA は甲虫の腸細胞内で分解の標的となり、昆虫の体内で損傷したタンパク質が致死レベルにまで蓄積します。

その成功にもかかわらず、カランサは免疫を進化させるカブトムシの脅威に無縁ではないため、グリーンライトは農家に従来の殺虫剤を使ってカランサを輪作することを推奨しています。それでも同社は、化学物質の使用を削減するあらゆる技術が消費者に受け入れられる大きな原動力になると確信している。カランサは最初の 2 バッチを完売し、現在ではハムシ用殺虫剤市場の 10% 以上を占めています。

クライマックスフーズ社のビーガンチーズ：AIが配合した植物ベースのブルーチーズ、ブリーチーズ、フェタチーズ

チーズの温室効果ガス排出量は豚肉や鶏肉よりも悪いですが、ビーガンメーカーはこれまで、風味、食感、全体的な美味しさの暗号を解くことができませんでした。これに取り組むために、カリフォルニアに本拠を置く Climax Foods は、香りや伸びなどのチーズの特性に関するトレーニング メトリクス セットを構築しました。次に、AI とチーズ製造者の推測を教育して、乳製品チーズと同じベンチマークに達する植物ベースの配合を開発しました。

ミシュランの星を獲得したシェフのドミニク・クレン氏は、カボチャの種、ヘンププロテインパウダー、ライマメ、ココナッツオイルを主原料としたブルーチーズは「ビーガンチーズとしては想像を超えている」と語った。クライマックスは、権威あるグッドフード賞を受賞した初のビーガンチーズメーカーとなったが、乳製品に関する苦情により、非乳製品が直面する保護主義的で法的な卑劣な行為の影により、賞は土壇場で取り消された。

クライマックスは今のところ、良い報道を利用するために規模を拡大しようとしているが、追加投資の「滑走路」を模索する中で一時帰休に直面している。同社は、「笑う牛」のメーカーであるベル・グループと、まだ名前のない2番目のプロデューサーとライセンス契約を結んでいる。それまでの間、ブルーチーズはオンラインおよびカリフォルニア、ニューヨーク市、ラスベガスの一部のレストランで入手可能です。

Limelight Steel のレーザー炉: 排出量を 95% 削減して鉄鋼用鉄鉱石をレーザー加工

1985 年、1 ワットのレーザーの価格は約 100 万ドルでした。現在、同じサイズのレーザーの価格はわずか 1 ドルです。オークランドに本拠を置くライムライト スチールは、この「レーザーのムーアの法則」を利用して、排出量を削減するための鉄鋼の鉄鉱石処理を再発明しています。結局のところ、世界の鉄鋼業界の 75% は依然として石炭火力高炉を使用しており、業界全体の排出量は世界の排出量の約 8% を占めています。ライムライト スチール プロセスでは、ミラーとレンズを介してレーザー光を鉱石の表面に照射し、鉱石の温度を華氏 2,800 度以上に高めます。レーザーによって生み出される独自の条件は、不要な酸素を運び去る用心棒のように機能する炭素や高価な緑色水素を必要とせずに、鉱石中の鉄と酸素の結合を破壊します。次に、ライムライトは標準的な製鉄技術に従って、醸造の上部に不純物のスラグを生成し、高密度の純鉄が下のチャネルを通って流出できるようにします。最後に、鉄鋼メーカーは純鉄と少量の炭素やその他の元素を合金にして、さまざまなグレードの鋼を製造します。

CTO兼共同創設者のアンディ・チャオ氏は、レーザーは電気を光エネルギーに変換する効率が70～80％に近いと述べている。再生可能電力を利用した場合、このプロセスでは従来の製鉄よりも排出量が 95% 削減されます。 ARPA-E からの 290 万ドルの助成金を利用して概念実証を行ったライムライトは現在、2025 年に年間 100 トンを生産できるパイロット規模のプラントを計画しています。

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