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氷に木の繊維を混ぜて、空母を作る。第二次大戦中にイギリスが本気で検討したこの計画は、結局実現しませんでした。それから80年あまり、ヘブライ大学の研究チームが同じ発想を分子生物学の道具で組み直し、純粋な氷の10倍の圧縮強度を持つ材料を作っています。名前は「BioPykrete（バイオパイクリート）」。押しつぶされるまでに吸収できるエネルギーは、氷の70倍でした。
氷で空母を作る計画
1942年、イギリスの発明家ジェフリー・パイクは、大西洋を渡る船団を守るために巨大な氷の船を作れないかと考えました。鋼材もアルミも足りない時代に、北の海には氷が無限にある。氷山の上を平らに削れば、これまでで最大の航空母艦になる、という発想です。「ハバクック計画」と呼ばれ、チャーチルも関心を示しました。
ただ、天然の氷山では無理がありました。のちにノーベル化学賞を受けるマックス・ペルツが計画に加わり、氷の強度を調べたところ、自然の氷は割れやすく、船体として安心できるものではないと分かったのです。そこで出てきたのが、水に木材パルプを混ぜて凍らせる案でした。パイクの名前をとって「パイクリート」と呼ばれるこの材料は、氷よりずっと割れにくく、切削もできる。1943年にはカナダの湖で小型の試作船まで作られています。
それでも計画は消えました。長距離を飛べる哨戒機がそろい、船団護衛の穴が埋まったこと、そして巨大な氷の塊を溶かさず動かす工学的な難題と費用が重なったためです。ペルツは戦後、この材料の試験結果を氷河の流れの研究に転用した論文にまとめています。
木材パルプ入りの氷が抱えていた限界
パイクリートはその後も研究者の興味を引いてきました。木の繊維を混ぜるだけで、氷の壊れ方が「突然パキッと割れる」から「じわじわ変形する」に変わるからです。極地で建物を建てるなら、その場にある水と繊維で作れる材料には魅力があります。
ところが、強度の伸びには頭打ちがありました。木材パルプの繊維は太さも長さもばらばらで、氷の中にむらなく散らばりません。繊維が薄いところに力が集まれば、そこから割れていきます。
ヘブライ大学のチームは、この繊維を「セルロースナノクリスタル（CNC）」に置き換えました。木の主成分であるセルロースを、髪の毛の1万分の1ほどの細さの棒状の粒子にしたもので、硬くて表面の反応性が高い。プラスチックに混ぜて補強する用途では、すでに実績のある材料です。
ただし、ナノ粒子をただ混ぜただけでは、氷と粒子は別々に存在するだけです。氷の中で割れ目が走ったとき、粒子がそれを止めるには、粒子どうしが網の目のようにつながり、しかも氷にくっついていなければなりません。チームが本当に作りたかったのは、氷とセルロースを分子レベルで結ぶ「のり」でした。
魚と細菌のタンパク質をつないだ分子の接着剤
その「のり」として、チームは2種類の生き物のタンパク質を1本につなぎました。
片方は、魚が持つ「不凍タンパク質」です。北の海に住むオーシャンパウトという魚は、体が凍らないようにこのタンパク質を血液中に持っています。仕組みは、小さな氷の結晶の表面にぴったり張り付いて、それ以上成長させないこと。つまり、氷に強く結合するタンパク質です。今回使われたのは「III型不凍タンパク質」と呼ばれる種類で、研究チームが20年以上にわたって研究してきた素材でもあります。
もう片方は、高温を好む細菌が持つ「セルロース結合モジュール（CBM3a）」です。この細菌はセルロースを分解して栄養にする生き物で、分解酵素をセルロースの表面に固定するために、この部品を使っています。つまり、セルロースに強く結合するタンパク質です。
この2つを遺伝子の段階でつなぎ、大腸菌に作らせました。できあがった「キメラタンパク質」は、片端が氷をつかみ、もう片端がセルロースをつかむ。氷とナノセルロースの橋渡しをする分子です。実験では、つないだあとも両方の機能が生きていることを確認しています。氷の結晶を特定の形に整える能力は元の不凍タンパク質と同じで、セルロース粒子に混ぜるとほぼ全量が粒子側に吸着しました。
材料の作り方は、水に2%のナノセルロースとこのキメラタンパク質を混ぜ、底から一方向に冷やして凍らせるだけです。凍っていく過程で、押し出されたセルロース粒子が氷を包み込むように網を作り、氷は1ミリに満たない小さな部屋に閉じ込められます。キメラタンパク質はその網と氷をつなぎ止める役目を果たします。チームはこれをBioPykreteと名づけました。
10倍の強さと70倍の粘り
できあがった直径2センチ、高さ1センチの円柱を、氷点下に保った装置でゆっくり押しつぶし、壊れるまでの力と変形を記録しました。純粋な氷、ナノセルロースだけを混ぜた氷、つないでいない2種類のタンパク質を別々に混ぜた氷、そしてBioPykreteの4種類を、それぞれ5個ずつ試験しています。
純粋な氷は、力を加えていくとある点で突然砕けました。どこで割れるかも個体ごとにばらついています。ナノセルロースを混ぜると、壊れるまでの変形量が5〜10倍に増え、割れ方も段階的になりました。ただし途中で内部に小さな割れが入る「カクッ」とした段差が、記録にいくつも残っています。
キメラタンパク質を入れたBioPykreteでは、その段差が消え、なめらかに変形しながら耐える曲線になりました。圧縮強度は純粋な氷の10倍。壊れるまでに吸収するエネルギーは70倍です。純粋な氷の値は1立方メートルあたり20キロジュールで、砕氷船の設計に使われる海氷の値とほぼ同じでした。それが70倍になったわけです。
この10倍という数字のうち、キメラタンパク質の寄与は2倍分です。ナノセルロースを混ぜるだけで5倍になり、粒子を氷につなぎ止める「のり」を加えることで、そこからさらに2倍に伸びました。論文では、この圧縮強度はコンクリートの範囲に届く水準だとしています。
電子顕微鏡で内部を見ると、タンパク質を入れた試料では、セルロースの網が氷を抜いたあとも自立していました。タンパク質なしの網は氷が抜けると崩れてしまいます。割れ目が広がろうとしても、小さな部屋の壁で止められ、壁を引きはがすためにさらに力が要る。これが「突然砕けない」理由だとチームは説明しています。
実験室から極地までの距離
論文の表題にあるとおり、これは概念実証の段階です。試料は直径2センチの円柱で、測ったのは氷が成長した方向に押しつぶす強度だけ。横方向の強度、繰り返し凍ったり溶けたりしたときの耐久性、長期間荷重をかけ続けたときの変形は、これから調べる項目として挙げられています。
量の問題もあります。キメラタンパク質は大腸菌の培養で作りますが、チームが得た収量は培養液1リットルあたり0.8グラムで、これで作れる材料は0.5リットル分です。建物1棟ぶんをまかなうには、桁違いの生産設備が要ることになります。
それでも、極地に目を向ければ意味は見えてきます。コンクリートは打設後およそ30日間、5℃以上に保たないと本来の強度が出ません。極地では加温設備と監視が必要で、しかもできあがった後も凍結と融解を繰り返して数年で強度を半分近く失うことがあります。水と植物由来の繊維とタンパク質だけで作れて、役目を終えれば分解する材料が実用になれば、南極や北極の建設は別の選択肢を持つことになります。
なお、New Atlasの紹介記事では火星や木星の衛星での拠点づくりにも話が広がっていますが、これは記者の想像で、論文が応用先として挙げているのは北極と南極です。
パイクの氷の空母は、材料としては筋が通っていても、工学と経済の壁に阻まれました。今回の材料も同じ壁の手前にいます。ただ、80年前には「木の繊維をむらなく散らす」以上のことができなかったのに対し、今は分子1個の単位で氷と繊維をつなぐ部品を設計できる。パイクリートの限界だった部分に、ちょうど手が届いたことになります。
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画像について
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出典
Adar, C., Baron, Y., Rofman, B., Bar Dolev, M., et al. (2026). Biomimetic engineering of a fortified ice composite with enhanced mechanical properties. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 268, 116037. https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2026.116037（オープンアクセス）
New Atlas: WWII battleship made from ice inspires strong new building material（2026年9月16日）
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