光速に迫る!? ユニークなエンジンのデザインが登場

・NASAのエンジニアが、無補給で星間の距離まで行けるヘリカルエンジンを発表。
・十分なパワーと時間があれば、光速の99％を達成することができる。
・このコンセプトは非常に奇抜だが、探求する価値はある。

地球の大気圏外の宇宙空間への旅は、大きな推進剤貯蔵タンクと推力の間の兼ね合いです。ただし、あるNASAのエンジニアは、エンジンから推進剤を排出することなく、ロケットで星まで移動できると考えています。

NASAでマーシャル科学技術室のマネージャーを務めるデイビッド・バーンズ氏は、密閉サイクルの推進剤を使用する「ヘリカルエンジン」を発表しました。これにより、燃料を補給することなく、星間の距離まで行くことができるということです。

多くの人が懐疑的な見方を示しているものの、バーンズ氏は、このコンセプトは追求する価値があると信じています。質量、力、エネルギーの保存の関係を調べるための興味深い実験台になるかもしれません。

思考実験

バーンズ氏のエンジンの仕組みを理解するために、摩擦のない面に置かれた箱を想像してみましょう。その箱の中には、棒の上を滑る重いリングがあります。このリングは、機械的なバネを使って片側に押すことができます。

同じ質量のヘリカルエンジン

リングが箱の一端に衝突すると、跳ね返って箱の反動方向も変わります。ニュートンの運動の第3法則（作用・反作用の法則）によれば、リングを右方向に押せば、箱は左方向に動きます。箱はどこにも行かず、前後に行ったり来たりします。

では、もうひとつ、箱の一端をスライドさせたときに、リングの質量がより大きくなるような状況を想像してください。この場合、箱は片方の端でもう片方よりも大きな衝撃を受けます。したがって、箱はある特定の方向に加速することになります。

相対論的質量をもつヘリカルエンジン

しかし、リングの質量を連続的に変化させることは可能なのでしょうか？ 理論的には可能です。アインシュタインの特殊相対性理論によれば、物体が光速に近づくと質量が増加します。この効果は、粒子加速器で考慮されています。

バーンズ氏は、箱の中のリングを円形の粒子加速器に置き換えることで、1回のストロークでイオンを光速近くまで加速し、別のストロークで減速させることができると提案しています。システムの効率を上げるには、ロッドと箱の代わりに、らせん状の加速器を採用する必要があります。

加速器は大きいものでなければなりません（長さ約650フィート【198ｍ】、直径約40フィート【12ｍ】）。1Nの推力を発生させるためには、165MWの電力を消費します。

このエンジンは、摩擦のない環境（宇宙など）でしか実現できません。バーンズ氏の計算では、十分なパワーと時間があれば、エンジンは光速の99％を達成することができます。

EmDriveのイラスト
Getty Images

1970年代初頭から、多くの発明家が興味深いコンセプトを提案してきましたが、どれもうまくいきませんでした。そういった設計の中で最も人気があったのは、EM Driveと名付けられた、電磁波を動力源とするロケットエンジンでした。

課題

バーンズ氏は、自分の設計が極めて非効率的であることを十分承知しています。それでも、エネルギーの多くは、加速器から放出される熱や放射線から回収できると考えています。また、加速されたイオンのスピンのような運動量を保存することも可能です。

実用的なエンジンを作るには、技術的な課題が山積しています。たとえば、現在の技術では、より重いイオンから継続的に大電流を発生させることはほとんど不可能です。また、設計パラメータのほとんどは、出力、曲率、最小イオン速度、およびイオン化学によって制限されています。