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推進剤なしで光速度の99%を出せるエンジン、NASAの技術者が考案

2021.01.27 Wednesday

2019.10.15 Tuesday

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ジェットエンジン。ヘリカルエンジンとは関係ない。/Credit:depositphotos

Point

■NASAのエンジニアが「ヘリカルエンジン」と呼ぶ新しい宇宙船スラスターについて提案している

■これは特殊相対性理論の作用を利用した、推進剤を必要としないグローズドサイクルのエンジンで、理論上光速度の99%を達成できるという

■ただし、このエンジンは運動の第3法則を破っており、また摩擦のない深宇宙の環境でのみ効果的に動作するもので、現状での実現は難しいという

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民間宇宙旅行も、現実のものになろうとしている現代。遠い宇宙へ旅をするというSFチックな夢にも期待している人は多いのではないでしょうか。

そのために突破するべき一番明確な問題が、宇宙が広すぎて普通の速度ではほとんどまともな移動ができないという点です。

現在の人類の技術では4光分(光の速度で4分)の距離にある火星でさえ、移動するために半年近い時間を必要とします。

もし技術が発達し、地球に近い環境の惑星を数光年先に見つけたとしても、宇宙船がこんな速度ではどこにも行くことができないでしょう。

たとえ今は荒唐無稽な話に思えるものでも、新しい発想による新機軸のエンジンを提案していくことは、宇宙開発の技術者に求められていることなのです。

今、NASAの技術者の1人が、こうした問題に対して新しいエンジンの提案を行っています。

「ヘリカルエンジン」と名付けられたこの新エンジンは、相対性理論の近光速度で起きる質量変化の効果を利用して、推進剤を必要とせずに推進力を得られるといいます。果たして、このエンジンはうまくいくのでしょうか?

「ヘリカルエンジン」に関しては、米航空宇宙局 (NASA) マーシャル宇宙飛行センターの技術者David Burns氏より提案されており、NASAの技術報告サーバーに投稿されています。

特殊相対性理論を利用したエンジン

では、ヘリカルエンジンとはどのような原理なのでしょうか?

まず簡単な思考実験をしてみましょう。

摩擦のない、床の上に置かれた箱を想像してください。この箱の中には、中央に一本の軸が設置されていて、重しがこの軸上を前後に滑るようになっています。

この箱の中で、バネなどを使い重しを前方へ弾くと、その反動で箱は少し後ろへ下がります。しかし、重しが箱の端にぶつかると、重しが壁で跳ね返る反作用によって箱は前方へ進む状態となります。

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Credit:New Scientist

この状態では、反対の壁にぶつかった重しの反作用で箱はまた後ろへ下がってしまうので、箱は前後に揺れはしますが前に進むことはありません。

私達が雪山でソリの上で体を前後に揺すって、ソリが上手く前進しないのはこうした作用・反作用が交互に起こっていることが原因です。

こうした原理は、ニュートン力学の運動の第三法則(作用・反作用の法則)として知られています。

しかし、もし重りが光速に近い速度で動いていた場合どうなるでしょうか? 特殊相対性理論では、光速に近づくとその物体の質量が増えるとされています。

E=mc2という有名な数式が表している通り、質量とエネルギーは変換可能な同じものとして扱われます。速度が上がるということは、運動エネルギーが増加するということなので、それはイコール質量が増加しているということになるのです。

高速で走る車が衝突した場合、低速で移動していたときよりダメージが大きくなるのはこの原理が原因です。

では、こうした原理を踏まえて、先程の箱と重りの動きを想像してみましょう。

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Credit:New Scientist

この場合、移動する箱の中で後方に動く重りは、前方へ移動しているときより見かけ上の速度が落ちることになります。

そうなると、前方の壁に当たったときより、後方に当たったときの方が重りの質量は小さい状態となるので、結果的に箱は少しずつ前へ移動する推進力を得ていくというのです。

実際のヘリカルエンジンでは、こうした動作を粒子加速器を利用してイオンを相対論的速度(近光速)まで一気に加速させて利用することを考えています。

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