エネルギー物質科学
新エネルギー・省エネルギーを物質科学の観点から創造します。
将来の世界人口予測から40年後の2060年には世界の人口は100億人を突破すると予想される。100億人を越えると今の食糧生産事情では、全ての食糧を賄うことは不可能であると考えられる。特に日本では各国と比べて38%という食糧自給率の低さから将来の食糧問題は熾烈となる。また、さらに温暖化から、通常の屋外での農作物の生産力は低下することから、屋内での高効率の農業生産技術、特に人と共存可能な高生産力の植物工場が必要となる。
本研究の背景
①将来の世界人口の予測が引き起こす食糧問題：
図1に将来の世界人口予測を示す。これによると40年後の2060年までに世界の人口は100億人を突破すると予想される。世界人口が100億人を越えると今の食糧生産事情では、全ての食糧を賄うことは不可能であると考えられている。
2060年には今の1.3倍の食糧が必要と試算される。
世界中で餓死者の急激な増加、厳しい食糧の奪い合い、及び世情の急激な悪化が引き起こされる。
②日本の自給率低下が引き起こす食糧問題の加速：
図2は日本と諸外国の食糧自給率を比較したデータである。図から明らかなように、カロリーベースで38%であり、諸外国からの輸入に頼っている現状にあり、年々低下している。
世界の食糧事情より、日本の食糧事情の方が厳しい！
2060年、日本の人口は26％減少するが、現在のように農作物の輸入は可能か？
温暖化の影響
温暖化が農作物の生長の適温外に気温を上昇させている。
図３は野菜や果実の生長、図4は稲の生長の適温を示す。共に35度が最高限界気温である。急激に温暖化が進む（35度以上の猛暑日）と生産が急激に抑制される。
図5は日本の2014年までの年間の猛暑日の変化を示しているが、確実に増加傾向にあり、現在2020年の東京都心では過去最多の10日を記録している。
また、温暖化は気候変更に大きな影響を及ぼす。スーパ台風の発生が頻繁となり、国土に高潮・洪水・土砂崩れを引き起こし、農作物の生産に致命的な被害を及ぼす。
将来、屋外での農業は困難になるだろう
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屋内で人間と共存可能な植物工場の提案
人間と共存可能な植物工場
①達成目標とする項目
・栽培に手間がかからず、短期間で栽培から、収穫が可能である。
・栽培面積が少なくても高生長速度であり、高収量効率である。 → 実用的家庭栽培が可能となる。
・衛生的で農薬は不要で安全であり、かつ新鮮な食材が得られる。家庭用も含めて装置がコンパクトである必要がある。
・天候に影響を受けず、収穫量が一定であること。温暖化に依存しない。 → 家のエアコンの快適な温度で人と植物が共存できる。
②方法
１．栽培の方法
土耕栽培—手間と熟練、経験が必要。不衛生。→ 素人でもできる水耕栽培。土を使わないので衛生的。害虫はほぼ０である。
２．光の質
太陽—無料。質は優れているが、光量は気まぐれに激しく変化する。→ 高輝度LEDを使う。光の質には大きな問題がある。
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多色LEDの使用
３．光、培養液（水）、風、時間の制御
ポンプ、ファン、ウレタン、安価なマイコンで光源や電子機器の制御を使う。—Ardinoやラズベリーパイなど
４．温度の制御
人との共存共栄として家庭用エアコンを共用する。
装置システムの概要1
１．LED光源について
単色LEDより、白色LEDが栽培には適していた。しかし、太陽光と比べるとさらなる改善が必要！
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多色LED光源の製作
白色LEDだけより、約2倍の収穫量アップ！
3.2g/(月・cm2) → 同条件の太陽光では1.2～1.9g /(月・cm2 ) (栽培面積が64cm2の場合)
装置システムの概要2
1.1 光の質について
同じ白色でも太陽とLEDでは光の質は全く異なる
(i)太陽の光スペクトルは幅広く色々な成分の波長を有している。
(ii)白色LEDは青色のスペクトル成分は鋭く強いが、緑や赤の成分を幅広く含んでいるが光の強度自体は弱い。
(iii)白色LEDと違い、太陽光では晴天の日だけではなく、雨、曇りの日も有り、予測できない。
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栽培・収穫を安定化させるには、人工光でかつ、光源スペクトルの最適化が必要である!!
２．LED光源の光量とファンによる風量制御
・白色LED：Arduinoで時刻と共に各LEDの光強度を変化させる
・ファン：ラズベリーパイを用いたPWM制御 → カビの発生を有効に抑える
3．培養液の供給制御（大豆栽培の例）
・培養液の供給はポンプ：Arduinoを用いたPWM制御
・真ん中の図は、本植物工場での実際の大豆栽培の様子
・下図は収穫した大豆とその重量
栽培結果と評価1
①水菜栽培比較：太陽と多色LED光源の違い 300時間栽培一定、気温23度一定
結論： 光源スペクトルの質によって、栽培の形態が大きく異なる。太陽の質が一番優れていると考えられる。 太陽は光強度が弱くても植物の茎が強く、しなやかで根の成長も早い。
栽培結果と評価2
②水菜栽培の多色LEDのスペクトルによる違い：栽培面積300cm2、気温23度一定下
結論： 多色光源スペクトルの光の質によっては、気まぐれな太陽光よりも収穫効率は一定で安定で有り、大幅に向上することがわかった。
栽培結果と評価3
レタスL-113 栽培の多色LED光源のスペクトルによる違い：栽培面積280cm2、気温23度一定下
結論：光源は光の強度だけで無く、光の質が最も重要であることがわかった。
論文
「Proposal of wavelength-dependent photosynthetic photon flux density (WD-PPFD) using Si-photodiode and influences of WD-PPFD on growth of ‘Mizuna’ (Brassica rapa L. Japonica) using high-efficiency power LEDs in plant factory」(2014)『ICPF 2014 』P8p.31.
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