SF大会で話さなかったネタ

先週、SF大会に参加したのだが、参加した企画イベントで時間を持て余したら話そうと思って仕込んで置いたネタがある。
幸いにして、企画イベントでは盛り上がったので、時間を持て余すことは無かった。そのため、このネタを披露する事は無かったのだが、そのまま消えるのも何なのでブログに書く。

SF大会のネタとは、「宇宙開発の未来に飛躍的なブレークスルーを生む技術を、たった一つだけあげるとしたら、何？」と言うもの。

普通の答えは、「画期的な低コスト打上げロケット」とか「軌道エレベーター」とかになりそう。でも、当たり前すぎし、第一、具体的じゃない。誰だって、宇宙開発の最大の問題が、宇宙に行くためのコストが高すぎるのは判っている。「画期的な低コスト打上げロケット」や「軌道エレベーター」では漠然としすぎていて、それをどんな技術があれば実現できるか、判らないよね。

で、私があげるのは、『桁違いの高密度のエネルギー蓄積器』だ

ロケットエンジンの場合、ターボポンプ付けたり、二段燃焼サイクルにしたり、リニアスパイクにしたりと色々と改良・研究されているけど、しょせん、燃料が持つ化学反応エネルギーを効率的に使うと言う話。液体酸素と液体水素の場合、理想的に完全燃焼すると、16MJ/kgつまり１キログラムあたり16MJのエネルギーが得られる。現状のロケットエンジンの場合、3割位は無駄に使われているので、これを改善するって話だから、どう頑張っても、今の2倍の性能が得られる事はないから、『画期的』にはならない。

従来のロケットのように推進剤（プロペラント）を兼ねた燃料自体を燃焼させ発生する化学反応を使う場合、液体水素＋液体酸素よりエネルギー密度の高い燃料は、そうそう無い（正確にはフッ素を使う方法があるのだが、有毒）。
じゃあ、推進剤とは別にエネルギー源を持てば良い。それが『桁違いの高密度のエネルギー蓄積器』だ。

既に述べたように、化学反応エネルギーの場合、16MJ/kgが上限だ。ガソリン自動車の場合、42MJ/kgと言われるが、これは酸素を空気中から取っているから、宇宙では使えない。携帯電話やノートパソコンに使われているリチウムイオン電池は、0.7MJ/kg程度だ。
原子力の場合、ウラン235の核分裂エネルギーは、8万MJ/kgだから、化学反応の4桁くらいエネルギー密度が高い。でも、放射線とか怖いから、核エネルギーは打上げロケットには使いたくないよね。

核エネルギーほどではないしても、従来の化学ロケットの1桁改善すると、世界が違って来る。

例えば、『桁違いの高密度のエネルギー蓄積器』のエネルギー密度が 200MJ/kg になると容易に SSTO（単段式打ち上げ機）が容易に作れるようになる。

さらに、エネルギー密度が 300MJ/kg を超えると、イラストのような『自家用ロケット』が可能になる。
軽トラック並の1トン位の宇宙船に『桁違いの高密度のエネルギー蓄積器』が400kgだ。このエネルギー蓄積器の持つエネルギーが核爆弾並みじゃないかと勘違いされがちなのだが、ガソリン換算で、3500リットル程度。多いと言えば多いが、タンクローリーは1万リットル以上入るらしいので、それよりは、ずっと少ない。

推進剤は1400kg程度必要だが、それ自体がエネルギーを持つ必要がないので、液体窒素でも液体水素でも良い。
推進剤が液体窒素なら、値段も安いし、安全だ。元々空気中にあるものだから、環境にも優しい。タンクも直径190センチ程の球体ですむ。
ただし、ロケットエンジンが問題で、必要な噴射速度約9km/sを出すために、単純な熱エネルギーだけだと、燃焼室（燃焼しないけど）の内部は、圧力100気圧、温度4万K位が必要になる。窒素は、分子量が28と大きいので、高い温度が必要なのだ。4万度の温度に耐えられる材料は、そうは無いから、イオン推進とかプラズマ推進を考えざるを得ないのだが、高推力型のエンジンが作れるかは課題だ。
推進剤が液体水素だと、燃焼室温度は3300Kで済む。これは、普通のロケットエンジンの燃焼室内温度と変わらない。ロケットは単純な仕組みで、『エネルギー蓄積器』から運んだエネルギーで液体水素を一気に3300Kに加熱すれば良い。
ただし、液体水素は危険だし、密度が低いので、燃料タンクが直径4メートルの球体となってしまう。

もちろん、最大の問題は、『桁違いの高密度のエネルギー蓄積器』をどうやって作るかと言うこと。化学反応では無理なことは既に述べた。リチウムイオンなどのバッテリーも化学反応を使っているから同じこと。

残りの『エネルギー蓄積器』の方法は、『はずみ車』と『ゼンマイ』かな？

両方共、子供の玩具の自動車のエネルギー源だ。若い人は『はずみ車』を使った自動車の玩具は知らないかも知れない。コマを高速で回転させて、エネルギーを蓄える仕組みだ。
『コマつまりホイール』の回転速度が速ければ速いほど、蓄えられるエネルギー密度が高くなる。しかし、あまり速く回転させると遠心力で破壊されてしまう。鋼鉄のホイールだと0.25MJ/kg位が理論的限界。ケブラーでも1MJ/kg。
でも、もし、カーボンナノチューブが実用化して、破断長(自重で切れる長さ)が6万kmが達成できれば、300MJ/kg のエネルギー密度になる。カーボンナノチューブの場合、理論的な破断長が1万〜10万kmと言われて、軌道エレベーターに使えれるかと言われているけど、実用化したら、イラストのような自家用ロケットも作れる。

『ゼンマイ』つまりバネにエネルギーを蓄えると言っても、もちろん鉄のバネじゃ駄目。
7月くらいに「二フッ化キセノンを使って、非核エネルギーで最強のウルトラバッテリー」って怪しげなニュースがネット上を流れた。圧力をかけることによって、結晶の構造を変えることでエネルギーを蓄えるらしいのだが、結局、どの程度のエネルギー密度が達成できるか判らなかった。もし、本当に高密度のエネルギーが蓄えられるなら、宇宙開発にブレークスルーを呼ぶ。

どんな方法でも良いから、300MJ/kgの密度の高密度のエネルギーが蓄えられる方法があったら、教えてくれないかな？
・危険じゃないこと。（放射線とか、毒性とか）
・トータルで重くならないこと。（燃料は軽いけどタンクが重いとかはダメ）
・短時間で大量のエネルギーを使えること（どんなにエネルギーが多くても少しずつしか使えなければダメ。イラストの例だと最大で220Mワットが必要）

まあ、『高密度のエネルギー蓄積器』は、宇宙に限らず、携帯電話とか電気自動車とか、色々応用例があるし、そう言う分野の方が儲かるから、別に宇宙開発に使う必要は無いかも知れないけど。
ただ、『高密度のエネルギー蓄積器』を研究している人に対して、一つだけ宇宙開発が持つメリットを。
『携帯電話とか電気自動車などの分野への応用で、他のエネルギー蓄積方法に比べてコスト的メリットがなくても、宇宙開発なら買い手が付く』
元々宇宙開発は高いから、他の分野より2桁位出す、きっと。今の巨大なロケットがイラストのような簡単な打上げ手段になるなら、それでも安いもんだ。
もちろん、本当に 300MJ/kgが達成できるのであればの話だけど。

と、まあ、こんな風にSF大会で言ったら、良いアイデアが出てくるんじゃないかと思って。

ちなみに、もう一つ『飛躍的なブレークスルーを生む技術』を追加するとすれば、『自己増殖型ロボット』だ。