大気水生成：空気から水をつくる技術と実用化の最前線

著者：アスタミューゼ株式会社 神田 知樹 修士（工学）

大気水生成とは

大気水生成とは、空気中の水分を回収し、飲料水や産業用水として利用する技術です。本レポートでは、水蒸気を取り出す方法に加え、霧にふくまれる微小な水滴を集める方法もあつかいます。空気から水を得る試みは古くからあり、霧の多い乾燥地では網で霧を集める方法が20世紀半ばに実証され、冷凍機で空気を冷やして結露させる装置も20世紀後半には製品化されています。

ただし、霧を集める方式は霧の発生条件に左右され、空気を冷やして結露させる方式は冷却に多くの電力を要します。乾燥地や電力供給が限られる地域で活用するには、こうした制約への対応が必要です。

こうした課題に対応するため、少ないエネルギーで効率よく水を取り出す材料や装置の開発が進んでいます。代表例が、イスラエルのWatergen社による熱交換技術「GENius」です。食品用途にも使える高分子材料でつくった独自の熱交換モジュールで、空気を露点（水蒸気が水滴に変わり始める温度）まで効率よく冷やします。同社によると1kWhあたり最大6.2Lの水を生成できます。

同社の装置は、米国やアラブ首長国連邦、ウズベキスタン、チリ、シエラレオネなど、5大陸の国・地域に導入されています。

世界保健機関（World Health Organization：WHO）が2026年1月に公表した資料によると、世界では約21億人が、安全に管理された飲料水を利用できていません。

気候変動による干ばつの深刻化も、河川や地下水などの従来の水源に頼る地域にとって課題です。大気水生成の特徴は、水道管や井戸がない場所でも、その場の空気から水を得られることです。乾燥地や離島での飲料水確保、災害時の緊急給水、水の輸送に危険を伴う軍事・防災の現場などでの活用が期待されます。さらに、大量の水を使う飲料工場や半導体工場、データセンタなどが、自ら水源を確保する手段としても注目されています。

本レポートでは、アスタミューゼ独自のデータベースを活用し、大気水生成に関する特許、論文、研究資金、スタートアップの動向を分析します。「飲料水や産業用水の確保をおもな目的として、大気中の水分を取り出す技術」にフォーカスし、除湿によって副次的に生じる凝縮水の回収や、雲に働きかけて雨を降らせる人工降雨は対象外とします。

大気水生成に関する特許の出願動向

特許は、企業や大学などが開発した技術の権利化を図る手段であり、製品化や社会実装に向けた研究開発の動向をとらえる情報源となります。

アスタミューゼが保有する特許データベースから、概要に「大気水生成（atmospheric water generation）」「大気中の水分の改修（atmospheric water harvesting）」「霧の捕集（fog harvesting）」などの関連キーワードをふくむ、2015年以降に出願された特許約4,200件を抽出しました。

図1は、大気水生成に関連する特許の帰属国別出願件数の年次推移です。

なお、特許は原則として出願から公開まで18カ月を要するため、直近年の集計値は参考値です。

出願件数は米国がもっとも多く、韓国、中国、ドイツ、日本が続きます。米国の件数は2位の韓国の約4.5倍です。

米国は、民間の技術開発コンテストや政府の研究開発支援が進められてきました。2016年10月、XPRIZE財団は賞金総額175万米ドルの「Water Abundance XPRIZE」を開始しました。再生可能エネルギーだけをもちいて、空気から1日2,000L以上の水を1Lあたり2米セント以下で取り出すことを基準に、技術実証を競うものです。2018年10月には、米国のSkysource / Skywater Allianceがこの基準を達成し、150万米ドルの賞金を獲得しました。

本分析では、2017年の米国の出願件数が前年の約1.7倍に増加しています。ただし、この増加とコンテストとの因果関係は、件数の推移だけでは判断できません。

政府による支援の例として、2019年12月には米国防高等研究計画局（Defense Advanced Research Projects Agency：DARPA）が、大気から飲料水を得る「Atmospheric Water Extraction（AWE）」プログラムを発表しました。

これは乾燥地でも利用できる小型で省電力の装置の開発を目指すものです。民間のコンテストと軍事用途を想定した支援の両面で、実用化に向けた取りくみが見られます。

続いて、抽出した特許の母集団を対象に「未来推定」分析をおこないました。これは、文献中のキーワードの年次推移から、近年伸びている技術要素をとらえるアスタミューゼ独自の分析手法です。キーワードの変遷をもとに、注目が落ち着いた技術や今後注目されると予測される技術を可視化し、各要素技術の段階（黎明・萌芽・成長・実装）を推定します。

図2は、関連特許の概要にふくまれる特徴的なキーワードの年次推移です。

成長率（growth）は、全期間の文献中におけるキーワードの出現回数に対し、後半5年間の出現回数が占める割合です。値が1に近いほど、そのキーワードの出現が後半5年間に集中していることをしめします。

材料に関するキーワードでは、「MOF」「metal-organic-frameworks」が見られます。金属有機構造体（Metal-Organic-Frameworks：MOF）は、微細な孔と大きな内部表面積を持ち、水分の効率的な吸着が期待される材料です。また、「ハイドロゲル（hydrogel）」「高い吸湿性（super-hygroscopic）」「温度応答性（thermo-responsive）」は、吸湿性の塩をゲルなどに閉じ込め、加熱によって水を放出させる材料の開発に関連します。

エネルギー利用では、「ゼロエネルギー消費型（zero-energy-consumption）」「光熱変換（photo-thermal）」などが出現しています。太陽の光や熱を利用し、外部から供給する電力をおさえる造水技術に関連すると考えられます。

表面構造に関する語には、「超疎水性（super-hydrophobic）」「超親水性（super-hydrophilic）」「生物模倣（bionic）」「カブトムシ（beetle）」「サボテン（cactus）」があります。乾燥した環境に生息する生物に学び、水のなじみやすさである「濡れ性」を制御して、水滴を効率よく集める技術に関連します。これらのキーワードから、少ないエネルギーで水を得るため、吸着材と装置の形状の両面で工夫が進んでいることがうかがえます。

用途に関するキーワードも見られます。「車載型（vehicle-mounted）」は、造水装置を車で運び、移動先で水をつくる仕組みに関連します。「灌漑不要（irrigation-free）」は、外部からの給水に頼らない植林などへの応用を示唆します。被災地での給水や砂漠の緑化を想定した開発がうかがえます。

以下に、吸着材、温度応答性ゲル、生物模倣による集水面に関する特許事例を紹介します。

• Atmospheric water harvester with climate-adjustable adsorbant properties
  • 公報番号：WO2022159498A1
  • 出願年：2022年
  • 出願人：Water Harvesting Inc.（米国）
  • 概要：水分を吸着し始める湿度が異なる複数のMOFを、別々のモジュールに充填した大気水生成装置。湿度や電気料金に応じて使用するモジュールを切り替え、条件にあわせて水を取り出す。性質の異なる材料を組み合わせることで、湿度の変化が大きい地域でも取水量と省エネルギー性の両立を図る。出願人の Water Harvesting Inc.（WaHa）は、2025年のノーベル化学賞受賞者であるOmar M. Yaghi氏のMOF関連特許の独占ライセンスを持つとされる。同社は、相対湿度7%でも稼働する装置を開発し、新製品を2027年に出荷をする予定としている。

• Molecularly confined hydration in thermoresponsive hydrogels for efficient atmospheric water harvesting
  • 公報番号：WO2025038178A2
  • 出願年：2024年
  • 出願人：The University of Texas System（米国）
  • 概要：温度によって水へのなじみやすさが変わるゲルに、吸湿性の材料と光を熱に変える材料を組み合わせた造水材料。ゲルの網目に水分子を閉じ込める仕組みにより、低湿度の環境でも空気中の水分を取り込む。光熱変換材料をもちいることで、太陽光による比較的低温の加熱で、効率よく水を放出できる。

• Bionic passive radiation refrigeration water collection foam material, construction method and application
  • 公報番号：CN117126516A
  • 出願年：2023年
  • 出願人：華中科技大学、広東美的制冷設備有限公司（中国）
  • 概要：砂漠に生息し、体表で水を集める生物に学んだ微細な凹凸を持つ、樹脂発泡体の集水材料。太陽光を反射し、放熱冷却（熱を赤外線として外へ放出して温度を下げる現象）を利用することで、電力を使わずに表面を露点以下まで冷やして結露させる。表面の凹凸によって水滴の形成と改修を促す。出願人には、世界的な空調メーカである美的集団の系列会社がふくまれる。

大気水生成に関する論文の出版動向

論文は、大学や学術機関、企業などの研究成果を伝えるもので、基礎研究から実証までの動向を捉える情報源となります。ここでは、特許分析で見られた材料や装置の工夫が、研究面でどのように進んでいるかを見ていきます。

アスタミューゼが保有する論文データベースから、2015年以降に出版された大気水生成関連の論文約3,500件を抽出しました。

図3は、関連論文の国別出版件数の年次推移です。

出版件数は中国がもっとも多く、米国、インド、ドイツ、オーストラリアが続きます。中国の件数は2018年から急増し、2020年に米国を上回りました。2024年には、2位の米国の2倍以上となっています。

中国では、新たな水資源の確保を促す政策が打ち出されています。2021年11月には、国家発展改革委員会などが「第14次5カ年計画期の節水型社会建設計画」を公表し、雨水や海水淡水化など、従来とは異なる水源の活用と技術開発の強化を掲げました。さらに2023年には、水利部と国家発展改革委員会が、こうした水源の配置と利用を強化する指導意見を公表しました。2025年までに、再生水や集めた雨水、海水淡水化水などをふくむ「非従来型水源」の利用量を、全国で170億m³超とする目標を掲げています。

図4は、論文の母集団に「未来推定」分析をおこなって得られた、特徴的なキーワードの年次推移です。

吸着材に関するキーワードでは、「metal-organic-frameworks」「MOFs」や、網目状の構造を設計する化学に関連する「reticular」が見られます。「BTDD」「フマル酸アルミニウム（Al-fumarate）」など、MOFの構成要素や材料に関する語も出現しています。低湿度でも水分を取り込める材料の設計や、量産化に向けた研究との関連がうかがえます。

「ハイドロゲル（hydrogel）」「塩化リチウム（LiCl）」「塩を埋め込んだ（salt-embedded）」「高い吸湿性（super-hygroscopic）」は、吸湿塩をゲルに保持する材料に関連します。安価な材料をもちいた低コスト化が期待されます。

エネルギー利用では、「電力網に接続しない（off-grid）」「太陽エネルギーで動く（solar-powered）」「光熱変換（photothermal）」「放射に関する（radiative）」などが見られます。太陽熱や放射冷却などを利用し、電力網がない場所でも造水するための研究に関連すると考えられます。

集水面では、「自発的な輸送（self-transportation）」「生物模倣（bionic）」「超疎水性（superhydrophobic）」「液滴の跳躍（droplet-jumping）」が出現しています。水滴をすばやく移動させ、表面から回収する技術に関連します。材料や表面構造の工夫に加え、制御用マイコン基板の「Arduino」も見られ、装置の制御に関する検討もうかがえます。

以下に、MOFの量産化、吸湿ゲルの屋外実証、太陽熱による連続造水、水滴の輸送に関する論文事例を紹介します。

• High-yield, green and scalable methods for producing MOF-303 for water harvesting from desert air
  • 雑誌名：Nature Protocols
  • DOI：10.1038/s41596-022-00756-w
  • 出版年：2022年
  • 研究機関：University of California, Berkeley（米国）
  • 概要：低湿度の空気から水分を吸着し、比較的低温の加熱で放出するMOF-303について、水を溶媒としてグラムからキログラム単位で合成する4種類の手順をしめした。マイクロ波をもちいる方法では、反応時間を5分まで短縮している。設備に応じて選べる水系の合成方法により、材料の大量生産と実用化に向けた基盤を提供する。

• A metre-scale vertical origami hydrogel panel for atmospheric water harvesting in Death Valley
  • 雑誌名：Nature Water
  • DOI：10.1038/s44221-025-00447-2
  • 出版年：2025年
  • 研究機関：Massachusetts Institute of Technology（米国）等
  • 概要：吸湿性のゲルを折り紙状に配置したメートル規模のパネルと、窓のような集水容器を組み合わせた、電力を使わない装置。米国のデスバレーで、相対湿度21～88%の条件下で1日57.0～161.5mLの水を回収した。論文では、少なくとも1年の寿命と、回収水中のリチウムイオン濃度が0.06ppm未満であることを報告している。吸湿塩の溶出抑制に取り組んだ事例。

• A solar-driven atmospheric water extractor for off-grid freshwater generation and irrigation
  • 雑誌名：Nature Communications
  • DOI：10.1038/s41467-024-50715-0
  • 出版年：2024年
  • 研究機関：King Abdullah University of Science and Technology（サウジアラビア）
  • 概要：塩化リチウム水溶液を吸湿液とし、太陽光を熱に変換して連続的に水を取り出す装置。サウジアラビアで2つの季節にわたる計35日間の屋外試験をおこない、追加の保守を必要とせず、1m²あたり1日1.0～3.0Lの水を生成した。回収水でハクサイを栽培し、電力網に頼らない灌漑への応用を実証した。ガラス繊維の微細な流路を利用して水と吸湿液を自然に循環させ、手作業で入れ替える必要をなくした点が特徴。

• Ultrafast Self-Transportation of Multimedia Droplets with a Bioinspired Microspine Array
  • 雑誌名：Nano Letters
  • DOI：10.1021/acs.nanolett.5c00139
  • 出版年：2025年
  • 研究機関：吉林大学（中国）
  • 概要：サボテンのとげとイネの葉の表面に学び、微小なとげを並べた集水面を作製した。とげの形状とカーボンナノチューブの被覆によって、水滴を秒速約100mmで一方向に輸送する。従来の報告と比較して10～1,000倍速い輸送を実現し、霧の捕集では1cm²あたり毎時約16gの水を回収したとしている。集めた水滴をすばやく移動させ、回収効率を高める技術。

大気水生成に関するグラント（競争的研究資金）の動向

グラントは、科研費などの競争的研究資金です。新たな材料や方法の探索から装置の実証まで、研究開発に資金が向かう先をとらえる手がかりになります。ここでは、特許や論文の動向に加え、研究資金の配分と採択事例を確認します。

アスタミューゼが保有するグラントデータベースから、2015年以降に開始した大気水生成関連のグラント約80件を抽出しました。

図5は、関連グラントの国・地域別の年間配賦額推移です。配賦額は、各プロジェクトの総額を実施期間で均等に分け、年度ごとに集計しています。たとえば、3年計画で3万米ドルのプロジェクトは、各年に1万米ドルを計上します。このため、図の値は実際の年度別支出額とは異なります。

中国については、本分析で利用できるグラントデータが実態を十分に反映していない可能性があるため、比較対象から除外しました。

配賦額は米国がもっとも多く、欧州連合（EU）、ノルウェーが続きます。米国の配賦学は2022年から増加し、2024年には他の国・地域との差が広がっています。

米国では、軍事用途を想定した大気水生成装置の開発支援が進められています。米国防高等研究計画局（DARPA）は2020年12月、AWEプログラムの研究チームとして、GE Research、Physical Sciences Inc.、Honeywell、マサチューセッツ工科大学、テキサス大学オースティン校、米海軍研究所を選定しました。小型で省電力の装置に向け、吸着材や試作機を開発するものです。

このほか、国防総省の中小企業技術革新研究（Small Business Innovation Research：SBIR）プログラムなどでも、可搬型や車載型の造水装置への支援が見られます。

以下に、関連グラント事例を紹介します。

• Hydrating the Force with Sustainable Water from Air
  • プロジェクト実施年：2025～2027年
  • 資金配賦額：約200万米ドル
  • グラント名/国：SBIR/米国
  • 研究機関：Genesis Systems LLC（米国）
  • 概要：米陸軍の1個中隊への給水を想定し、1日650ガロン（約2,500L）の飲料水を生成する移動式装置の製品化をめざすプロジェクト。消費電力は1ガロンあたり1kWh以下を目標とする。部品のモジュール化によって整備性を高めるとともに、電磁パルスへの耐性や遠隔監視機能もそなえる計画。

• Nano- and micro- poro-elastic fog nets for water harvesting
  • プロジェクト実施年：2020～2026年
  • 資金配賦額：約128万米ドル
  • グラント名/国：Research Council of Norway/ノルウェー
  • 研究機関：University of Oslo（ノルウェー）
  • 概要：霧を網で捕集する「フォグネット」の集水能力を高めるため、やわらかく多孔質な繊維構造を設計するプロジェクト。人工の霧をもちいた風洞実験で、風や振動、ねじれた繊維の形状が水滴の動きにあたえる影響を調べ、集水に適した構造を探る。電力を必要としない安価なフォグネットを高効率化し、霧の多い乾燥地での水源確保につなげることを目指す。

• Advancing QUAsiperiodic metal-organic FRAMEworks for atmospheric water harvesting
  • プロジェクト実施年：2025～2028年
  • 資金配賦額：約48万米ドル
  • グラント名/国：CORDIS/EU
  • 研究機関：Trustees of Columbia University in the City of New York（米国）
  • 概要：EUの研究資金によって、準周期構造を持つMOFを研究するプロジェクト。放射光X線による構造解析と計算機シミュレーションを組み合わせ、構造が水の吸着にあたえる影響を分子レベルで調べる。従来とは異なる構造設計を通じ、乾燥地での取水量やエネルギー効率の改善を狙う。

大気水生成に関するスタートアップ企業の事例

アスタミューゼが保有するスタートアップ企業データベースから、大気水生成に関連する約100社を抽出しました。
事業モデルを見ると、大きく3つのタイプに整理できます。

1. 家庭や地域に装置を分散して設置し、太陽光などを利用して、その場で飲料水をつくるタイプ
2. 大型装置で水を大量に生成し、飲料や業務用水として供給するタイプ
3. 吸着材の技術を核として、空調や除湿、工場の廃熱利用と組み合わせ、施設内で水を生成するタイプ

拠点は米国が中心ですが、水不足が深刻なインドや中東にも企業が生まれています。資金調達額の大きい企業には、水の大量生産や空調との統合など、既存の産業インフラと組み合わせる事業モデルが見られます。以下では、大量生産、空調・排熱との統合、低湿度での連続造水にとりくむスタートアップ企業を紹介します。

• A1R Water
  • https://a1rwater.com/
  • 所在国/創業年：アラブ首長国連邦/2018年
  • 概要：空気中の水分から水を生成する装置を設計・製造する企業。ドバイ産業都市に、1台で1日3,000Lを生成する装置を50台以上設置し、1日10万L以上の水を生産するボトリング工場を建設したとしている。水はくりかえし使えるガラス瓶に詰め、ホテルや学校、企業へ供給する。大気水生成を大量生産と飲料流通に結びつける事業モデルで、米国での生産拡大も計画している。

• AirJoule Technologies
  • https://airjouletech.com/
  • 所在国/創業年：米国/2014年
  • 概要：独自の吸着材技術を活用し、空気からの造水、データセンタの廃熱利用した現地での造水、工場や空調向けの除湿・湿度制御を手がける企業。除湿の省エネルギー化と、除去した水分の資源化を図る。造水を空調や施設の熱管理と組みあわせ、大手の空調、化学、電池メーカとの協業を通じて、既存設備への組み込みを進めている。

• AquaPoro
  • https://www.aquaporo.com/
  • 所在国/創業年：米国/2024年
  • 概要：相対湿度15%程度の空気から水分を取り込む独自技術を開発する企業。現場の廃熱や周囲の熱を利用して連続的に水を取り出す方式をかかげ、家庭用の小型機と、工場向けの1日16m³規模のシステムを展開するとしている。2026年6月に500万米ドルを調達し、米国の大学の研究拠点で連続式実証設備の建設を開始したと発表した。

大気水生成に関する技術動向のまとめ

本レポートでは、大気水生成に関する特許、論文、研究資金、スタートアップ企業の動向を分析しました。

特許分析では、MOFなどの吸着材、太陽エネルギーや放射冷却の利用、濡れ性の制御や生物模倣による集水面など、材料やエネルギー利用、装置形状に関する工夫が見られました。帰属国別の出願件数では米国がもっとも多く、民間の技術開発コンテストや政府の研究支援も進められています。

論文分析では、中国の出版件数が2020年に米国を上回りました。個別事例では、MOFの量産化、吸湿ゲルの砂漠での実証、太陽熱による連続造水など、実用化に向けた取り組みが確認できます。

研究資金の分析では、米国の配賦額がもっとも多く、軍事・防災用途を想定した可搬型装置や、次世代の吸着材料、霧の捕集技術への支援が見られました。個別事例には、1日数千L規模の造水を目指すプロジェクトもあります。

スタートアップ企業では、家庭や地域への分散設置、水の大量生産、空調や廃熱との統合など、事業モデルの広がりがうかがえます。低湿度での連続造水を目指す開発も進められています。

これらの動向から、大気水生成では、吸着材の改良や太陽エネルギーの利用、生物模倣による集水構造の設計が、装置の実証や事業化につながりつつあると考えられます。一方、量産化や実用化の検証が進む技術と、材料の基礎研究が続く技術が並行して存在しており、用途や方式によって開発段階は異なります。

今後の普及には、低湿度でも少ないエネルギーで水を取り出す性能に加え、需要に見合う生産量、吸着材などからの成分溶出を抑えた水質、用途ごとの採算性が重要になります。軍事・防災・データセンタ、農業など、それぞれの利用条件に適した技術と事業モデルを組み合わせられるかが、実用化を左右すると考えられます。

著者：アスタミューゼ株式会社 神田 知樹 修士（工学）

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