教育研究部総合科学系複合領域科学部門/農林海洋科学部海洋資源科学科海底資源環境学コース/海洋コア総合研究センター

research

概要

海底などの現場で観測を行う装置を開発するためには、(1)測定原理の選定と最適化、(2)深海向けの耐水・耐圧設計と動作試験、(3)装置化、(4)現場運用、(5)実海域データ取得、という各ステップを踏んで行く必要があります。インベンション(発明)の段階に含まれる(1)(2)のステップは、生産・販売を生業としない大学という組織の特性上で重要なステップとなります。測定原理の選定と最適化は分析科学、耐水・耐圧試験は工学的な要素を含みます。当研究室の強みは、耐圧試験に関する機器を常備していることです。下の写真は、水深5,000m相当の水圧をかけることができる耐圧試験水槽です。直径15cm、長さ50cmの耐圧容器の加圧試験が可能です。耐圧水槽には6ピンの耐圧貫通コネクタが取り付けてあります。この貫通コネクタを通して、内部の装置に電源供給することや、内部の装置からデータを吸い出すことが可能です。また耐圧試験水槽は水槽に水浴させることができるため、温度試験も可能です。

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下の写真は光学的な分析のための、耐圧観測セル付分光光度計です。水深3,000m相当の水圧をかけながら、試験溶液を耐圧観測セルに入れることができます。耐圧観測セルには石英の窓がついていて、この窓から色彩や、装置を変えると蛍光強度、発光強度などの観測をすることができます。

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プロジェクト紹介

また、忘れてはならないのが測定対象の選定です。その測定対象において、本当に新しい装置を開発する必要があるのか、別のもっと優れた測定方法・測定項目が存在しないか、熟慮する必要があります。ここでは、現場観測システムが必須であると判断した3つのケースを紹介します。一つ目は海底熱水活動探査用システム開発です。これは文部科学省受託研究:海洋資源の利用促進に向けた基盤ツール開発プログラム (通称"基盤ツールプログラム”)での開発内容です。二つ目は海洋中層ブイ向け観測システム開発です。これは(独)科学技術振興機構(JST) 先端計測分析技術・機器開発プログラムでの開発内容です。三つ目は海底化観測プラットフォーム開発です。これは内閣府戦略的イノベーション創造プログラム(SIP)次世代海洋資源調査技術(海のジパング計画)研究開発課題の開発内容です。下のタブをクリックしてご覧ください。

文部科学省受託研究:海洋資源の利用促進に向けた基盤ツール開発プログラム
「海底熱水鉱床探査の為の化学・生物モニタリングツールの開発」

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 我が国は四方を海に囲まれ、古来より海の恩恵を受けてきました。水産資源に関しては、世界三大または四大漁場といわれる北西太平洋漁場を経済水域内に有しており、古来より魚食文化に親しんでいます。近年、このような海の恵みのなかで、海底の鉱物資源として海底熱水鉱床が注目されています。海底熱水鉱床は、海底火山活動にともなう熱水から重金属が沈殿してできた鉱床です。陸上で温泉が存在するのと同じように、火山地帯では海底でも温泉が沸いています。海底温泉は数千メートルの海底に存在するため、数百気圧の圧力がかかっています。そのため圧力鍋と同じ原理で、海水の沸騰する温度が高くなり、300℃といった非常に高温の熱水が噴出しています。海底熱水鉱床はこの熱水から急速に金属元素が沈殿することで生成します。海底熱水鉱床中には、銅、亜鉛、鉛、金、銀、バリウム、イオウ、セレン、ヒ素、アンチモン、ガリウム、インジウムなどを含んでいます。同じような鉱床は陸上では秋田県などで存在し、黒鉱鉱床として知られています。我が国の排他的経済水域(EEZ: Exclusive Economic Zone)は世界第六位の広さを有しており、我が国の深海底資源のポテンシャルは、世界的に見ても高いといえます。しかしながら、海底の探査は非常にむずかしく、その分布や鉱量はようやく調査の端緒に就いたばかりです。そのためには政府が長期計画を立て、指針をしています。海洋基本法(2007年7月施行)に基づき、2008年3月には海洋基本計画が閣議決定され、さらに2009年3月には、第5回総合海洋政策本部会合において、「海洋エネルギー・鉱物資源開発計画」が了承され、メタンハイドレート及び海底熱水鉱床については、今後10年程度を目処に商業化を実現するとしています。文部科学省では平成20年度から、海底熱水鉱床をはじめとする海洋鉱物資源を広域で効率的に探査するために必要な技術開発の内容等について審議し、これら国産の技術開発を実施する競争的研究資金制度「海洋資源の利用促進に向けた基盤ツール開発プログラム」を開始しました。この中の1課題として、高知大学が代表となり、岡山大学、東京大学生産技術研究所及び九州大学と共同で海水の化学成分の高精度計測技術の開発を行なっています。
 海底熱水鉱床探査の際には、2項目の観測が必要となります。1番目がマンガン・鉄・硫化水素といった熱水から噴出している化学物質の濃度です。これらの3成分は熱水中に海水の10万倍もの高濃度で含まれています。そのため、海水中で熱水に近づけば近づくほどこれら化学物質の濃度が高くなっていきます。一番濃度の高いところに熱水が存在することになります。2番目は、pH・酸化還元電位などの熱水によって影響を受ける海水組成に関する情報です。こちらの海水組成はマンガン、鉄、硫化水素ほど変動しません。まず、マンガン、鉄、硫化水素濃度であたりを付け、最後にpH、酸化還元電位でより近い範囲で特定するという形で、これら2項目を広い範囲にわたって観測することが必要となります。また、実際に海底資源を採取する時には、周辺環境の擾乱や汚染を監視が必要です。このときは上記2項目の化学系成分以外にも、生物活動の長期センシングが必須となります。生物活動のセンシングには、熱水性生物が放出するアデノシン三リン酸(ATP: Adenosine triPhosphate)等の代謝系物質の濃度が適しているといわれています。我々のグループでは、これらをターゲットとした化学・生物モニタリングツールの開発と、ツールを用いた現場環境モニタリングを行なっています。
 高知大学において開発したツールを紹介します。まずはマンガン、鉄を測定対象としたフロー系分析装置です(図1)。この装置はルミノールの化学発光強度がマンガンや鉄といった重金属元素の濃度に比例することを利用した装置です。ルミノール等の試薬類は点滴用の袋に詰めて海中に持っていき、海中で送液ポンプを動かして海水と混ぜ合わせます。送液ポンプは圧力下で動くように油漬け容器にとして、光の強度を測定するための窓、機械制御部は海水から切り離して耐圧容器に収納しています。
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2番目は、硫化水素センサ等を対象とした電気化学センサです(図2)。このセンサでは、海水中に露出させた銀線に一定の電位をかけて、硫化銀として濃縮します。次に電位を反転させて、濃縮した硫化銀を溶離させます。この溶離の際の電流値が硫化水素濃度に比例するという仕組みを利用して計測しています。電気化学センサは試薬が不要な点、モーターなどに駆動部が無く省電力な点などがフロー系分析装置に比べて利点となっています。他にもガラス電極を用いたpHセンサ、白金線を用いた酸化還元電位(ORP: Oxidation-Reduction Potential)センサの開発を行いました。これら電気化学センサは、センサ部を海水中に露出させ、コントロール基盤は耐圧容器内に収納することで水深5,000mまでの深海で作動するように設計されています。
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3番目は、海水サンプルを取得するための128連式採水器です(図3)。こちらは40mlのサンプルを128本、あらかじめ決められた時間間隔で採取することが可能です。たとえば5分間隔ですと10時間、20分間隔ですと40時間サンプリングが可能です。取得したサンプルは船上で速やかに分取します。10mlの海水を用いて船上で基礎項目を測定し(溶存酸素、塩分、pH、アルカリ度、全炭酸、栄養塩濃度など)、残りは固定し持ち帰り陸上で分析します(細菌数、レアメタルなど金属元素、メタンなどガス成分)。
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 これら開発したツールを使った実際の熱水探査も行っています。たとえば2010年には海洋研究開発機構無人探査機「ハイパードルフィン」に現場化学センサ群を搭載し、沖縄本島沖合約100kmの北東伊是名海域において、新規熱水活動を発見することに成功しました(図4)。熱水鉱床としてのポテンシャルについては今後の詳細な分析が必要ではありますが、200℃を超える熱水活動が発見された水深は500~600mと、既存の熱水活動域(約1,000m程度)より浅いため、調査が比較的容易な海域として期待されています。
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また2012年には、東京大学生産技術研究所無人海中ロボット「AE2000f」に化学センサを搭載し観測を行った結果、熱水活動を伴わない熱水マウンドを発見することに貢献。これら開発結果を基にさらに機器の改良が続いていきます。センサは大きさ、消費電力や試薬消費量が小さいほど、水中ロボットへの取り付けが容易になります。分析ライン全体を一つのチップ上に載せるµTAS(Micro-Total Analysis Systems)という技術が、医療系の分野で特に進んでいます。この技術を応用することで、現在は500mlの缶ジュース2本分ぐらいの大きさがあるセンサ類を、カードサイズ化しようという試みも実施しています。
 「海洋」は、生活圏から遠いため、日常的にはあまり存在を意識していません。少しずつ調査が進んでいく深海底は、静寂・静穏の世界ではなく、エネルギー・物質が行き交うダイナミックな世界であると認識されてきています。調査・開発技術が革新的に進歩したことによって,深海底資源・エネルギーの開発は,現実問題となってきつつあります。我々のグループでは、日本国産の科学技術力を結集し、センシング分野で1番になるべく研究を進めています。

平成26年度(独)科学技術振興機構 先端計測分析技術・機器開発プログラム
環境問題解決領域「機器開発タイプ(調査研究)」
『海洋酸性化問題解決に向けた海中フロート用4次元化学観測技術の調査研究』

画像の説明

概要
 総合科学系複合領域科学部門(海洋コア総合研究センター)岡村慶研究室と株式会社マイクロテック・ニチオンが共同提案した課題が、平成26年12月に独立行政法人科学技術振興機構(JST)の先端計測分析技術・機器開発プログラム環境問題解決領域「機器開発タイプ(調査研究)」へ採択されました。大気中の二酸化炭素増加に伴い、海洋酸性化による海洋環境・生態系への影響が懸念されていますが、本調査研究では、この海洋酸性化による中層~深層海水の二酸化炭素挙動を明らかにするために、研究のボトルネックとなっている観測データの時空間分解能不足を解消する採水技術および化学センシング技術について検討、開発をしています。

背景
 人為起源の二酸化炭素増加に由来する問題として、地球温暖化とともに海洋酸性化による海洋環境・生態系への影響が懸念されています。例えばサンゴや有孔虫のような炭酸カルシウムの殻や骨格を持つ生物の場合、海水のpHが低くなることにより炭酸カルシウム硬組織の溶解が促進されたり、成長阻害を受けたりすることが危惧されています(IPCC,ワーキンググループII報告書,2014, http//www.ipcc.ch/より入手化)。二酸化炭素増加による気候変動予測を目的として、20世紀後半から観測機器の開発が進められ、例えば衛星観測による大気中の二酸化炭素観測や海表面での光合成量の見積り手法が確立してきました。海水に溶ける二酸化炭素の挙動や分布は、衛星からでは観測ができないため、船舶や定点ブイによる観測が続けられています。しかしながら、船舶による観測は長期観測が難しく、一方、ブイ観測は、長期観測が可能でありますが、観測深度が固定されているため、空中分解能が低いといった問題点があります。つまり、“もっと連続的な深度で”、“もっと長期間に”、“もっと多くの海域で”正確なデータを得ることができれば、将来の海洋酸性化による影響予測が可能になります。

開発目標
 そこで我々が目をつけたのが、近年、海洋観測で実績をあげている自動昇降フロートによる観測です。本観測方法は、プログラムによってブイの浮力調節をし、鉛直的なセンサ観測をした後、海面からデータを衛星通信にて陸上局に送るシステムです。この観測ブイは主に海洋物理分野で用いられ、現在全世界で3,000台以上が観測に用いられています。他方で、ブイに搭載される観測センサは、水温、電気伝導度、深度(まれに溶存酸素)に限られています。我々が目的とする海洋酸性化による影響を観測するためには、これらに加えて二酸化炭素種(pHや全炭酸など)の観測が必須になるため、新たな技術開発が必要となります。これまでの海洋観測手法のシーズとして、高知大学では多連式採水器による海水サンプリング技術と化学センサ技術を有しており(高知大学リサーチマガジン第8号6-8ページ拙稿、2013年)、共同研究先であるマイクロテック・ニチオンが持つコンピュータ基板開発技術とインターフェース作成技術と組み合わせることで、自動昇降フロートに搭載可能な“小型で”、“電力消費の少なく”、“高精度に”、“安定した” 海洋酸性化観測システムの構築を実現します。

内閣府戦略的イノベーション創造プログラム(SIP)
次世代海洋資源調査技術(海のジパング計画)研究開発課題
『潜頭性熱水鉱床の規模・品位探査に資する物理化学・生物観測技術の創出』

概要
 総合科学系複合領域科学部門(海洋コア総合研究センター)岡村准教授が研究代表として、複合領域科学部門野口准教授、東京大学生産技術研究所、九州大学カーボン・ニュートラル国際研究所と共同提案した課題が、平成27年10月に内閣府戦略的イノベーション創造プログラム(SIP)次世代海洋資源調査技術(海のジパング計画)研究開発課題『潜頭性熱水鉱床の規模・品位探査に資する物理化学・生物観測技術の創出』として採択されました。我々の研究グループは、海底熱水活動域の海底下に広がるいわゆる“潜頭性熱水鉱床”の成因・品位・規模の調査に向けて、(1)海底下の流体観測技術、ならびに(2)熱水噴出孔観測技術を開発します。

背景
 海底熱水鉱床生成の場として、海底熱水活動があります。海底熱水活動域での海底下数m程度の深度における流体移動については、CAT meterなどを用いた循環系へ入口(例えば熱水噴出孔)での流量観測や、化学物質と熱流量比からの流量推測、熱水プルーム観測等のフラックス推定といった手法が取られていました。これらの手法では、海中から海底面への入口・出口であるポイント(点)での推測は可能ですが、海底内での面的・立体的動きについての推測は困難でありました。この海底内での流体の動きを調べる装置としては、フランス海洋開発研究所(IFREMER)では、ピストン・コアラー型現場間隙水圧計測システムPIEZOMETERを開発・運用し、地下3mまでの間隙水圧のデータを得ることに成功していますが、間隙水そのものの採取装置や、pHなど他のセンサは搭載されていません。また日本国内販売価格帯が数千万円程度と高価であり、複数台同時展開は困難なのが現状でした。そのため日本国内での海洋調査機器の開発が切望されています。
 我々の研究グループは、文部科学省の「海洋資源の利用促進に向けた基盤ツール開発プログラム(H20-24)」及び「海洋鉱物資源広域探査システム開発(H25-29)」に参画し、上述のアクティブな熱水噴出孔の物理・化学・生物探査に資する現場観測機器と運用手法の開発を進めてきました(高知大学リサーチマガジン第8号6-8ページ拙稿参照)。開発機器の一部は、本SIPの他課題(例えば実施項目2 “海洋資源調査技術の開発”の海洋資源調査システム・運用手法の開発)においても使用されています。本研究ではこれら技術シーズを生かし、日本発で汎用性の高い新しい海洋調査機器を開発します。

開発目標
  我々の研究グループは、海底熱水活動域の海底下に広がるいわゆる“潜頭性熱水鉱床”の成因・品位・規模の調査に向けて、(1)海底下の流体観測技術、ならびに(2)熱水噴出孔観測技術を開発します。
(1) 海底下の流体観測技術開発(担当:高知大学)
 海底熱水域海底下の熱水循環解明に向けて、最大5m程度の槍型打ち込み式プラットフォームを作製し、間隙水圧計・現場化学センサ(例えばpH・溶存酸素)・熱流量計・間隙水採水器を搭載し、現場観測技術を構築します。本装置を寝熱水噴出口周辺に複数台設置観測することにより、海底下における熱水循環を具現化します。
(2) 熱水噴出孔観測技術開発(担当:東京大学、九州大学)
 熱水噴出孔から噴出する熱水、および沈積物(熱水鉱石)の化学組成を直接的かつ長期間連続観測することを目的として、現場観測センサ技術を確立します。具体的には、東京大学において、ホログラフィック顕微鏡・原子間力顕微鏡・アデノシン三リン酸(ATP)計測装置を開発し、九州大学では高温環境で使用可能なpH計測装置を開発します。これらの現場観測機器を伊平屋北部海丘熱水域に設置される人工熱水噴出孔観測ステーションに設置・運用し、噴出熱水の時空間変動を計測するシステムを構築します。
 当該研究で開発する現場観測機器類については、民間企業より市販化するとともに、運用技術・品質管理についても産業化を計ります(一部は高知県内のエフコン株式会社から2015年12月より市販化を開始しました)。また、次世代の海洋資源開発を担う若手研究者・技術者の育成については、平成28年度より設置される高知大学・農林海洋科学部海洋資源科学科・海底資源環境学コースを中心に取り組んおります。
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