低炭素ポートランドセメントへの道としてのケイ酸塩由来カルシウム

なぜ岩石がよりクリーンな都市に重要なのか

セメントは現代生活の見えない接着剤であり、住宅や橋、高層ビルを支えている。しかし、その製造は世界の小型車すべてとほぼ同等の炭素汚染を放出する。本研究は、よく知られたポートランドセメントを使い続けつつ、その排出を大幅に削減する意外な方法を探る：白っぽい石灰岩ではなく、玄武岩のような黒っぽい火成岩を原料にするという発想だ。

気候汚染の静かな巨人

普通のポートランドセメントは、理解が進んでいて入手しやすく、長年の建築実績に支えられているため世界の建設で支配的だ。しかし主要成分である石灰岩由来のカルシウムには内在的な炭素コストがある。セメント製造のために石灰岩を加熱すると、岩石中の炭素が二酸化炭素として放出され、さらに高温のキルンを稼働させるために燃料が燃やされる。これらの工程を合わせると、セメントは人類の温室効果ガス排出量の約4.4%を占め、地球上のすべての小型車に匹敵する規模になる。

同じ有用元素を持つ別のタイプの岩石

著者らは、地球上のカルシウムの大部分は実際には石灰岩ではなく、カルシウムがケイ素と酸素と結合したケイ酸塩岩（玄武岩や岩藤岩など）に存在すると指摘する。地質分布をマッピングすると、これらの岩石は多くの国々に広がっており、セメント生産者に何十万年分も供給できる可能性が示される。玄武岩はトン当たりのカルシウム含有量が石灰岩より少ないものの、利用可能な総資源は膨大であり、重要なのは加熱しても岩石自体から炭素が放出されない点だ。

玄武岩が既知のセメントをどう作るか

玄武岩をポートランドセメントに変えるのは従来のルートより複雑だ。なぜならカルシウムが他の元素と混ざって希釈されているからだ。熱力学解析を用いて、研究チームはさまざまな鉱物からセメントを作る際に理論的に必要となる最小エネルギーを比較した。その結果、理論上はカルシウム豊富なケイ酸塩からポートランドセメントを作るエネルギーは、石灰岩起点の場合に比べて半分以下になる可能性があり、加えて岩石自体からの炭素放出を避けられることが分かった。論文は既存の工業工程に基づく実用的なルートを示す：酸で岩石からカルシウムや他の金属を溶出させ、電気を使って化学物質を分離・回収し、得られたカルシウム化合物を今日のプラントと同様のキルンで加熱する。最適化されていない保守的な設計であっても、岩石由来のプロセス排出はゼロに近づき、貴重な副産物を考慮すれば総エネルギー使用量は低下し得る。

ひとつの採石場からセメント以上のもの

玄武岩は単なるカルシウム源以上の価値を持つ。大量の鉄、アルミニウム、ケイ素を含み、これらは鉄鋼、アルミニウム金属、セメントに混ぜる補助材料として使われる原料でもある。将来、世界のセメント需要を賄う規模で玄武岩を精製すれば、研究は同じ原料流から現在の鉄鋼、酸化アルミニウム、セメント添加材の大部分または全ての需要を満たせる可能性があると示唆する。それは鉱山廃棄物を減らし、別々の鉱山の数を減らし、よりクリーンなセメント生産の費用を補う新たな収益を生む可能性がある。

馴染みあるセメントを維持する理由

カルシウムを少なくするなど異なる化学を使った代替セメントは数多く提案され、しばしば排出は低い。しかし、長期にわたって安全性を保つ構造物に採用するには建設者や規制当局が未検証の材料を嫌うため、市場への浸透はほとんど進んでいない。著者らは単純なリスクモデルを用いて、新しいセメントが広く信頼されるようになるには何千もの実物の建物と何十年もの観察が必要となる可能性を論じる。対照的に、玄武岩由来だが従来のポートランドセメントと同様に振る舞うよう設計されたセメントは、既存の規格、設計ルール、建設慣行により容易に組み込めるだろう。

馴染んだ手法で低炭素な未来を築く

平たく言えば、本論文は同じ種類のセメントを使い続けられるが、出発する岩石とその処理方法を変えられる可能性があると結論付けている。炭素を含まないケイ酸塩岩からカルシウムを取り出し、鉄鋼やアルミニウムといった共生成物を精製し、よりクリーンなエネルギーでプロセスを駆動することで、セメントをほとんど排出なしで製造し、人類の排出量の4.4%という部分を実質的に消し去ることができると著者らは主張する。このアプローチは、より良い建物設計、リサイクル、炭素回収といった他の戦略を置き換えるものではなく、これらと並行して都市の成長を今日の気候コストに縛られない形で支える可能性がある。

引用: Prancevic, J.P., Finke, C.E., Peterson, E. et al. Silicate-derived calcium as a pathway to low-carbon Portland cement. Commun. Sustain. 1, 78 (2026). https://doi.org/10.1038/s44458-026-00056-4

キーワード: セメント排出, 玄武岩セメント, 低炭素建設, 産業の脱炭素化, ポートランドセメント