再生アルミニウムは銅の需要を満たすことができるでしょうか?

グレゴリー・バーバー

少しの間、非常に忘れられがちな普及技術である電線について考えてみましょう。 何百万トンもの細い金属糸が、私たちのデバイスの中に巻き込まれ、壁に巻き付けられ、街路に張り巡らされ、世界を感動させる役割を果たしています。 しかし、彼らの作品は穏やかで、非常に自然主義的であるため、テクノロジーとはまったく感じられません。 ワイヤーが電子を移動させるのは、単に電流が供給されると金属が電子を移動させるためです。つまり、金属は伝導します。

しかし、改善の余地は常にあります。 金属が電気を通すのは、特定の原子に結合していない自由電子が含まれているためです。 より多くの電子が流れ、より速く流れるほど、金属の伝導性は良くなります。 そのため、発電所で生成されるエネルギーやバッテリー内に蓄えられるエネルギーを保存するために重要な導電率を改善するために、材料科学者は通常、より完璧な原子配列を模索しています。 彼らの主な目的は純粋さ、つまり流れを妨げる異物や不完全な部分を取り除くことです。 金の塊が金であるほど、銅線が銅であるほど、導電性が高くなります。 それ以外のものは邪魔になるだけです。

「本当に導電性の高いものが必要な場合は、純度の高いものを選択する必要があります」と太平洋岸北西部国立研究所の材料科学者、キールティ・カッパガンチュラ氏は言います。 それが、彼女が自分自身の研究がかなり「奇妙な」ものであると考える理由です。 彼女の目標は、金属の純度を下げることで金属の導電性を高めることです。 彼女はアルミニウムなどの金属にグラフェンやカーボンナノチューブなどの添加剤を加えて合金を生成します。 これを正しい方法で行うと、余分な材料が奇妙な効果をもたらす可能性があることをカッパガンチュラは発見しました。それは、金属の導電率の理論的限界を超えてしまう可能性があるということです。

この場合のポイントは、電気機器において銅と競合できるアルミニウム、つまり導電性が約 2 倍であるが、コストも約 2 倍高い金属を作成することです。 アルミニウムには銅よりもはるかに軽いという利点があります。 また、地殻に最も豊富に存在する金属（銅の千倍）であるため、掘削が安価で簡単でもあります。

一方、世界がより環境に優しいエネルギーに移行するにつれて、銅の調達はますます困難になっています。 配線やモーターでは古くから広く普及していますが、その需要は急増しています。 電気自動車は従来の自動車の約4倍の銅を使用しており、再生可能発電所の電気部品や電力網に接続する電線にはさらに多くの銅が必要となる。 エネルギー専門調査会社ウッド・マッケンジーのアナリストらは、洋上風力発電所では10年間で5.5メガトンの金属が必要になると推定しており、そのほとんどが発電機内の巨大なケーブルシステムと、タービンが生成する電子を海岸に運ぶために使われる。 近年、銅の価格が高騰しており、アナリストらは銅の不足が増大すると予測している。 ゴールドマン・サックスは最近、それを「新しい石油」と宣言した。

一部の企業はすでに可能な限りアルミニウムに置き換えています。 近年、エアコンから自動車部品に至るまで、あらゆる部品の部品に数十億ドル規模の変化が起きています。 高圧送電線にはすでにアルミニウム線が使用されています。アルミニウム線は安価で軽量なため、より長距離に張ることができます。 そのアルミニウムは通常、最も純粋で導電性の高い形状になっています。

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しかし、ウッド・マッケンジー社の銅市場担当主任アナリスト、ジョナサン・バーンズ氏によると、この転換は最近鈍化している。その理由の一つは、アルミニウムが最も合理的である用途にすでにアルミニウムの転換が行われているからだという。 より幅広い電気用途で使用するには、導電率が主な制限となります。 カッパガンチュラのような研究者が金属の再設計を試みているのはこのためです。

エンジニアは通常、強度や柔軟性などの金属の他の品質を向上させるために合金を設計します。 しかし、これらの混合物は純粋なものよりも導電性が低くなります。 特定の添加剤が電気の輸送に特に優れている場合でも（カッパガンチュラが使用する炭素ベースの材料の場合がこれに当てはまります）、合金内の電子は通常、ある材料から別の材料に飛び移るのが困難です。 それらの間のインターフェイスが問題点となります。