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巨大レールガン開発計画

Posted by moonrainbow on 27.2024 科学   1 comments   0 trackback
巨大レールガンで宇宙船を打ち上げる計画が中国で進められている

巨大レールガン

中国で宇宙船を打ち上げるための巨大レールガン開発計画

 
中国では近い将来電磁の力で弾丸のように宇宙船が打ち上げられるようになるかもしれない。現在、極超音速飛行機を宇宙に打ち上げるため巨大なレールガンの開発を計画中なのだという。

 宇宙船をレールガンで打ち上げるというアイデアはとても魅力的だ。なにしろ現在のロケットときたら打ち上げ用の燃料と、その燃料を運ぶための燃料と、燃料の燃料を運ぶための燃料が必要で、あまり効率的とは言えないからだ。

 打ち上げに必要なシステムは地上に残し、機体自体はできるだけ軽くする方がずっと理にかなっているのだが、ロケット発射用レールガンの実現は、かなり野心的なプロジェクトであるようだ


宇宙船を打ち上げるための巨大レールガンの開発
 
開発が進められている打ち上げ専用レールガンは宇宙船をマッハ1.6、あるいはマッハ5まで加速させるという。

 空中に射出された宇宙船は、その勢いを利用して自前のロケットエンジンで軌道速度まで加速する。

 打ち上げ専用レールガンを開発するのは、中国航天科技集団(CASIC)で、山西省大同市には全長2kmの試作機が建設されているという。

 それは密閉された真空(おそらく空気抵抗をなくすため)のトンネルのようなもので、現時点で時速1000kmまで加速できる。将来的にはさらに5倍にまでスピードアップされるという


巨大レールガン1

レールガンで宇宙船は打ち上げ可能なのか?
 
電磁式のカタパルトで宇宙船を射出するというアイデア自体はシンプルなものだ。だがこれを実際に作るのは技術的にかなり野心的なことかもしれない。

 なにしろレールガン自体のほか、その制御システムから動力、それを構成する部品の製造方法まで、あらゆる面で技術的なチャレンジのオンパレードなのだ。

 たとえば、乗客を乗せた機体をマッハ1.6まで加速させるには、レールガンの全長は少なくとも8kmは必要になる。マッハ5を目指すのならば、もっと長い。

 しかもそれはただのトンネルではない。そこに備え付けられる大量の電磁石は、極低温で冷却しなければならないし、おそらく史上最大の真空チャンバーとなる密閉されたチューブは、真空を維持するために巨大なポンプが必要になる。

 と同時に、密閉された真空チューブから超音速で宇宙船を射出するための特別なエアロックがも不可欠だ


膨大な電力をどうやって確保するのか?
 
この巨大なシステムを駆動するエネルギーを供給する方法も問題だ。

 米海軍が保有するジェラルド・R・フォード級原子力空母は電磁式カタパルトを121メガジュールで動かし、戦闘機を時速241kmまで加速させる。

 121メガジュールは33.6kWhに相当するが、これは日本の家庭の平均的な電気使用量(6~15kWh)の2~5日分にあたる。

 もしも同等の質量をマッハ5まで加速させるなら、中国のレールガンは5万メガジュールという途方もない電力が必要になる。だが、現在想定される宇宙船の重量は、少なくともその10倍以上だ。

 となると、打ち上げ専用レールガンを動かすには、毎秒1ギガジュールを発電する原子力発電所と、それをためて、必要に応じて放出するコンデンサーが必要になる。

 これまで世界最強のコンデンサーバンクは、ドレスデン強磁場研究所にあるもので、50メガジュールに対応する。中国のレールガンに必要なのは、その1000倍も高性能な代物だ。

 これらの実現には、現在のエンジニアリングの基礎技術を大きく進歩させたうえで、それらの装置を実際に製造するまったく新しい産業インフラを準備せねばならない


 そしてここまでの話に、レールガンの全サブシステムをリアルタイムで制御するセンサーやコンピューター・システムは含まれていない。

 中国側はレールガンが完成すれば、軌道への打ち上げコストを1kgあたり60ドル(約9000円)まで削減できると主張している。スペースX社の3000ドル(45万円)/kgと比較しても圧倒的に安い。

 果たして本当に実現するのだろうか?あと数年後にその結論はでることだろう


2024年03月23日
カラパイアより

ヘリカルエンジンとは?

Posted by moonrainbow on 24.2024 科学   0 comments   0 trackback
NASAが光の99%の速度を出せるエンジンを考案!?無限に加速を続けるヘリカルエンジンとは?

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イオンエンジン©JAXA

光は1秒で地球を7周半できるほどの速度を持っています。全ての物質は光速に近づくにつれ無限大のエネルギーが必要となるため、光速を超えることはできないと言われています

しかし、もし限りなく光速に限りなく近づけるとしたら?もしかしたらタイムマシンも実現できるかもしれません。本記事では、NASAが考案した夢の推進器「ヘリカルエンジン」をご紹介します。

無限エンジン「EMドライブ」原理は不明だが、燃料なしで半永久的に加速し続けられる!?


【物理法則を超えた「ヘリカルエンジン」】NASA考案!推進剤なしで光の99%の速度を出せる光速エンジン、ワームホールを利用したワープ航



■物理法則を超えた「ヘリカルエンジン」

ヘリカルエンジンは、NASAのデイビッド・バーンズ氏が考案したエンジンです。驚くべき特徴として、推進剤を必要とせずに半永久的に加速ができるのです。

原理をわかりやすくご説明すると、まず摩擦のない平面の上に箱がおかれていると想像してください。中央には赤い重りが入っており、前後に滑ることができます。この状態で箱が前後に動いた場合、重りも箱の前後の壁にぶつかるのみで、どちらか一方に進むことはできません。これは、皆さお馴染みの作用・反作用の法則ですね


光の99の速度1
摩擦のない平面に設置された箱と重り©NewScientist

しかし、仮に箱の壁にぶつかる時に、重りの質量を調節することができたら?一体何が起こるでしょうか。例えば、前方の壁にぶつかる時は質量を重く、後方の壁にぶつかる時は軽くできた場合、結果として箱は前へ進むことができるのです

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重りが箱の前方にぶつかったとき、箱全体が前方へ移動する©NewScientist

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重りの質量が軽いと箱の後方にぶつかっても移動量が少なく、結果として前方へ進む©NewScientist

■原理はわかったけど、そんなこと本当にできるの?

重りの質量を魔法のように変えることなんてできるのだろうか?と疑問に思った方もいらっしゃると思います。NASAのデイビッド氏は、物体が光速度に近づくと質量を得るという「特殊相対性理論」を利用しこれを実現しようと考えています。

ヘリカルエンジンではイオンを使い、重りが前方に衝突する際に強力な磁場をかけます。イオンは加速し質量を増やす一方、後方に衝突する際はイオンを減速させて質量を減らすことで、推力を得るという仕組みです。これを長時間駆動すれば、光速の99%の速度を実現できるとのことです。

しかしこのヘリカルエンジン、小さな力を生み出すだけでも莫大な電力を必要とするという欠点があるのです。例えば、100gの力(=1ニュートン)を生み出すのに、165メガワットもの電力を必要とするのです。更に、ヘリカルエンジン自体も長さ200メートル、直径12メートルという超巨大な宇宙船である必要があるのです。

更に、摩擦のない環境を用意することが必須であり、光速の99%に到達するためには長い年月をかけた加速が必要になります


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H3ロケット打ち上げの様子©JAXA

ヘリカルエンジンの実現には解決しなければならない課題が多くありますが、このようなアイデアがたくさん生まれ、着実に一歩づつ人類の技術が発展していって欲しいですね

2024年3月21日
スペースチャンネル宇宙系YouTuberより

宇宙太陽光発電

Posted by moonrainbow on 14.2024 科学   0 comments   0 trackback
夢の「宇宙太陽光発電」究極のクリーンエネルギーは実現するのか?

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宇宙太陽光発電システムのイメージ©JAXA

究極のクリーンエネルギー「宇宙太陽光発電システム」をご存知でしょうか?現在世界各国で研究が進められているその巨大な建造物について、本記事では詳しく解説していきます

ロケットをハンマー投げみたいに宇宙へ放り投げる!?常識破りの打ち上げシステムを紹介!

「失われた30年取り戻せる」日本の宇宙開発は今、熾烈な国際競争 勝ち筋は“宇宙版シリコンバレー”【報道特集】| TBS NEWS DIG



■宇宙太陽光発電衛星ってどんなもの?

まず宇宙太陽光発電とは、軌道上に太陽電池を搭載した衛星を配置し、発電した電気をマイクロ波に変換して地上に送信するシステムのことを言います。

最初の構想は、1968年に米国のピーター・グレイザー博士が提唱したのが始まりです。石油や天然ガスなどの化石燃料はあと100年を経たずして枯渇してしまうと言われています。一方で宇宙太陽光発電は、持続可能な社会を実現できるエコエネルギーとも考えられています。最近では、電気自動車やSDGsなど、多くのエコ関連の言葉が行き交っていますが、宇宙太陽光発電は究極的な方法となるかもしれません


■宇宙での発電効率は地上の10倍!?

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宇宙太陽光発電システムのイメージ©JAXA

ただ、地上でも太陽光発電ができるのだから、宇宙に衛星を打ち上げて発電しなくても良いのでは?と思う方もいるかもしれません。実は、宇宙での発電効率は地上の10倍と非常に高いためです。

まず、地上ですと夜は発電できませんが、宇宙では太陽の光を常に浴び続けることができます。更に、雨や曇りなども宇宙では存在しないため、発電できない日が存在しません。極めつけに、晴れの日でも実は普段私達が吸っている空気によって太陽光が吸収されているのですが、宇宙には空気がないので最大効率で発電が可能となるのです


■マイクロ波を浴びると人間は黒焦げになる?

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宇宙太陽光発電システムのイメージ©JAXA

巷のうわさで、「鳥がマイクロ波の中を飛ぶと焼き鳥になる」といわれていますが、ご安心ください。宇宙からは100万kWと大量のエネルギーが送られてきますが、地上には2.5kmなどの広範囲に照射を行います。この時の強度は太陽光と同程度であり、仮に不具合が起きて皆さんに照射されてしまったとしても、瞬時に黒焦げになることはないのです。ただ、常にそこでマイクロ波を浴び続けるのは健康には良くないので、早めに移動しましょう。

夢のような太陽光発電衛星ですが、まだ世界的に実用化はされていません。やはり、太陽電池パネルの大型化や送電技術などの技術的な課題や、大型構造物であることから巨大なコストも問題の一つです。次回の記事では、建設計画が進められている、各国の状況をご紹介していきます


スペースチャンネル宇宙系YouTuberより
3/11(月) 19:46

X線分光撮像衛星XRISMの初期科学観測データ

Posted by moonrainbow on 11.2024 科学   0 comments   0 trackback
X線分光撮像衛星XRISMの初期科学観測データ公開

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ペルセウス座銀河団のX線スペクトル
Resolveで取得されたペルセウス座銀河団のX線スペクトル。右上の囲みは6~7キロ電子ボルトの拡大図。背景画像は銀河団の中心銀河NGC 1275を中心としたX線・可視光線・電波の合成画像(擬似カラー)(提供:JAXA/NASA/Chandra X-ray Center/Institute of Astronomy in Cambridge, UK/A. Fabian et al./NRAO/VLA/G. Taylor/ESA/Hubble Heritage (STScI/AURA)/Univ. of Cambridge)

昨年9月に打ち上げられたX線分光撮像衛星「XRISM」が定常運用へ移行し、初期観測結果の一部が公開された

2023年9月7日に小型月着陸実証機「SLIM」と相乗りで打ち上げられたX線分光撮像衛「XRISM」が、衛星本体と搭載機器などの機能確認を完了し、初期機能確認運用から定常運用へ移行した。この定常運用への移行発表に合わせて、2天体の初期科学観測の結果が公開された。

1つ目はXRISMの軟X線分光装置「Resolve」(リゾルブ)で取得された、ペルセウス座銀河団中心部の精細なX線スペクトルだ。この天体は約2億4000万光年の距離にある銀河団で、X線で非常に明るく見える


銀河団内のプラズマの温度や速度を精密に測定すると、銀河団内に存在する暗黒物質の分布や動きに関する情報が得られる。その情報は、銀河団がどのようなプロセスで作られ、今後どのように進化するのかを明らかにするための手がかりになるものだ。

2つ目は軟X線撮像装置「Xtend」(エクステンド)が撮影した、おおかみ座の方向約7000光年の距離に位置する超新星残骸「SN 1006」の画像だ。Xtendの広い視野のおかげで、見かけサイズが満月の直径ほどもある超新星残骸の全体像がすっぽりと収まっている


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超新星残骸「SN 1006」。XtendによるX線画像とDSSの可視光線画像を合成(提供:(X線)JAXA/(可視光線)The Digitized Sky Survey)

この残骸のもとになった超新星爆発が起こった西暦1006年は、紫式部や藤原道長が活躍した時代に当たる。そこから1000年あまりの時をかけて、超新星残骸は直径65光年もの大きな球状の天体へと成長し、現在も秒速5000kmの速さで膨張し続けている。Xtendが取得したデータを利用することで、超新星爆発時の核融合反応で作られた元素の量や残骸が膨張する様子を詳しく調べることができる。

今後の運用では、まず搭載機器の特長を活かす天体観測や、観測精度を高めるための較正・初期性能検証が実施される。その後、世界中からの観測提案に基づいた観測が始まる。XRISMはすでに当初の目標を上回る分光性能をはじめとする優れた機器の性能を達成していて、今後の観測から様々な発見がもたらされると期待される。

「衛星システムと地上システムの初期機能確認を完了し、いよいよ定常運用として科学観測を開始します。ファーストライトでは驚くべき観測性能を目の当たりにしました。これからX線国際天文台として多くの天体を観測して、宇宙の謎に迫りますのでご期待ください」(XRISMプロジェクトマネージャ JAXA宇宙科学研究所 前島弘則さん)。

「いよいよ科学観測が始まります。今年8月ごろからは、世界中の研究者から公募した観測提案に基づいた観測も始める予定です。公開天文台として貢献できる日を心待ちにしています」(XRISMプリンシパルインベスティゲータ(研究主宰者)埼玉大学 田代信さん)


2024年3月6日
AstroArtsより

「ブラッグガラス相」

Posted by moonrainbow on 05.2024 科学   0 comments   0 trackback
理論上でしか存在しなかった奇妙な物質の相が現実に存在することが判明

ブラッグガラス相

 これまで理論上のものだった「ブラッグガラス相」という奇妙な物質の相が、現実の物質で確認されたそうだ

 ブラッグガラス相は、ガラスのような特徴がありながら、ほぼ完璧な結晶となっている、なんだか矛盾しているような奇妙な状態のことだ。

 これまで理論的には存在が予測されながら、本当に存在するのかどうか不明だったが、コーネル大学をはじめとする物理学者チームがついにそれを確認した。

 それはテルビウムとテルルの層の間にパラジウムを差し込んだ合金「PdxErTe3」の中に隠れていたのである


物質の相とは何か
 
ここでの「相」とは、物質を構成する原子や分子が並んでいる様子を表したものだ。

 たとえば「長距離秩序相」とは、原子がどこまでも整然とした規則的なパターンで並んでいる状態のことだ。

 その反対に「無秩序相」なら、原子はごちゃまぜで、規則的なパターンはない。たとえば、水のような液体がそうだが、ガラスのような固体なのに無秩序な物質もある。

 「ブラッグガラス相」はその中間にあるもので、ガラスのような特徴がありながら、ほぼ完璧な結晶となっている相だ。

 過去の研究によって、無秩序なところでの渦糸格子や電荷密度波系において発生すると予測されていた


ブラッグガラス相1
image credit:Mallayya et al., Nat. Phys., 2024

ブラッグガラス相の発見
 
コーネル大学などの研究チームは、この奇妙なブラッグガラス相は「電荷密度波(CDW)」がある物質で見つかるのではと考えた。

 電荷密度波とは、物質の電荷密度が周期的に高くなったり低くなったりして、波のように見えることだ。ひとまず電子の分布の「波」と理解してもらいたい。

 3種の相では、電荷密度波の振る舞いがそれぞれ違っている。

 たとえば秩序相では、波とその構造との相互が無限に続いていく。その反対に、無秩序相では、波の相関が無限には続かず、どこかの距離で壊れる。

 ブラッグガラス相の場合、波の相関がきちんと崩れる。ところが、それがあまりにもゆっくりしていて、まるで無限に広がるかのよう見える


 現実にブラッグガラス相かどうか確認するには、実験データからその微妙な違いを検出せねばならい。これはそう簡単なことではなかった。

 ブラッグガラス相探しの対象となったのは、「PdxErTe3」という特殊な合金だ。これは数年前にSLAC国立加速器研究所とスタンフォード大学の研究者によって念入りに調べられ、幻の相発見の有望な候補とされていた。

 研究チームは、PdxErTe3にX線を照射し、物質内部で起きた光の回折を測定。さらに秘密兵器として利用されたのが、その解析を担当した機械学習ツール「X-TEC」だ


 これによって電荷密度波のピークが何千も調べられ、これに基づき、それまで理論上のものだったブラッグガラス相の実在が確認された

ブラッグガラス相2
長距離秩序相、ブラッグガラス相、秩序相の特性を示したグラフ/Mallayya et al., Nat. Phys., 2024

 とらえどころのない相だが、その痕跡がデータに刻まれていることに気づけたのは、機械学習を利用したツールによるところが大きい。

 コーネル大学のEun-Ah Kim氏は次のように語っている。

 「機械学習ツールとデータ科学的な視点を用いることで、包括的なデータ分析を通じて繊細なサインを突き止めるという、難問に挑むことができます」

 この研究は『Nature Physics』(2024年2月9日付)に掲載された


追記:(2024/03/01)本文を一部訂正して再送します

2024年03月01日
カラパイアより
 

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