地下深くに水素はどれほど眠っているのか？科学者たちが答えを探している

1990年代、地質学者バーバラ・シャーウッド・ローラー（Barbara Sherwood Lollar）は地球化学チームを率い、カナダ・オンタリオ州北部のキッドクリーク（Kidd Creek）鉱山へと踏み込んだ。この銅亜鉛鉱山は北米大陸の古い基盤岩に垂直に切り込み、深度は3000メートルを超える。その暗い岩層の奥深くで、彼女たちは異常なほど古い塩水（かん水）を発見した。地下に封じ込められてから10億年以上が経過したものだった。さらに驚くべきことに、この高塩度の液体は死んだ環境ではなく、活発な微生物の生息地だったのである。

この発見は生命の限界に関する人類の認識を塗り替えると同時に、まったく新しいエネルギーの問いを静かに開いた。地下深部にそれほど古い水が存在するなら、同じくらい古い水素ガスも蓄積されているのではないか。宇宙で最も豊富な元素である水素が、意外な形で地球の深部に静かに眠っているかもしれないのだ。

地下の「水素工場」

天然水素は地殻中に珍しいものではないが、長らく主流のエネルギー業界には無視されてきた。主に二つのメカニズムで生成される。一つは、放射性元素（ウラン、トリウム、カリウムなど）の崩壊によって水が放射線分解を起こし、水素結合が切断されて水素ガスが放出されるプロセス。もう一つは、鉄やマグネシウムに富む岩石（カンラン岩など）が地下水と反応して蛇紋岩化し、水中の水酸化物イオンが水素ガスに還元されるプロセスである。キッドクリーク鉱山で検出された高濃度の溶存水素は、まさにこの二つの過程の産物だ。

シャーウッド・ローラーのチームは古い塩水の中に、水素を栄養源とする微生物群集を発見した。それらは太陽光にも有機物にも依存せず、無機化学反応だけで生命を維持していた。これは地下水素が散発的な偶然の存在ではなく、継続的に生成される「天然燃料」であることを示している。地殻内でこのような反応によって年間生成される水素は数百万トンに達すると推定されるが、その大半は深部岩層に分散しており、回収が困難な状況だ。

「私たちが直面しているのは『水素があるかどうか』という問いではなく、『水素がどこにあり、どれほどあるか』という問いです。」 —— バーバラ・シャーウッド・ローラー

探査ブーム：廃坑から深部掘削へ

近年、世界的な脱炭素の潮流に後押しされ、天然水素の探査が急速に加熱している。マリ、ブラジル、米国中西部、フランス東部では、複数のスタートアップ企業が「ホワイト水素」や「ゴールド水素」と呼ばれる貯留層の掘削を開始している。水電解や天然ガス改質による水素製造と比べ、天然水素のカーボンフットプリントは極めて低く、コスト面でも大きな可能性を秘めている。支持者たちは、工業規模の埋蔵量が発見されれば、究極のクリーンエネルギーになり得ると主張する。

しかし課題も明確だ。水素分子は極めて小さく、岩石や封止層を容易に透過するため、地下の水素貯留には特殊な遮蔽地質条件が必要となる。また現在の探査手法の多くは、地表のガス異常シグナル——「フェアリーサークル」と呼ばれる土壌の窪みやメタン滲出など——に依存しており、これらの間接的な証拠は信頼性に乏しいことが多い。コロラド鉱山大学の研究者によれば、天然水素資源の評価はまだ「系統的な資源量分類基準が存在しない段階」にあるという。

編集者より：神話と現実のあいだ

天然水素をめぐる物語は非常に魅力的だ。地球内部が自ら清潔な燃料を生み出し、電解装置も高圧タンクも不要で、直接採掘できる——そういうシナリオである。しかし歴史は、エネルギー転換には常に「銀の弾丸」的な語りが伴うことを教えてくれる。シェールガス革命でさえ、地質的な知見を商業的成功に転換するまでに数十年を要した。水素の天然分布はまったく異なる法則に従っており、その濃度、圧力、貯留規模には大きな不確実性が残る。

シャーウッド・ローラーの研究は、地球深部が活発な化学システムであることを示してくれるが、その「産出」が必ずしも人類の工業的需要に応えるものではない。気候危機という観点からは、複数の経路を同時に探ることが重要だ。天然水素は真剣に研究する価値があるが、水電解や炭素回収・貯留（CCS）といった成熟した技術への継続的な投資に取って代わるべきではない。地下には人類への贈り物が眠っているかもしれないが、その包みを開けるまでの時間は、私たちが想像するよりずっと長いかもしれない。

本記事はMIT Technology Reviewより編訳