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実現可能性について論争を呼んでいる「量子ドライブ」を用いたロケットがついに6月に打ち上げられる

現在の宇宙開発時代(Space Age 2.0)の最もエキサイティングな点の1つは、昔からあるアイデアがついに実現されつつあることだ。例えば、回収・再利用型ロケット、海上回収、空中回収、SSTO(Single-Stage to Orbit)ロケット、キネティックロケットシステムなどが有名である。さらに、従来の推進剤に頼らない推進システムの開発にも取り組まれている。この技術は、質量の低減やエネルギー効率の向上など多くの利点があり、最終的にはコストダウンにつながる。

2023年6月10日、人工衛星用の全電気推進システム(IVO Quantum Drive)が初めて宇宙へ飛び立つ。このシステムは、ノースダコタ州に拠点を置く無線電力会社IVOが製作したもので、推進力に応用可能な慣性の代替理論のテストベッドとして機能する予定だ。このエンジンは、商業パートナーであるRogue Space Systemsが主催する専用のライドシェア(Transporter 8)の一部として、SpaceX社のFalcon 9ロケットの上に打ち上げられる予定だ。この技術が検証されれば、量子ドライブは商業宇宙とその先の世界で革命を起こすきっかけになるかも知れない。そして、もしそうでなかったとしても、物理法則が物理法則であることに変わりはないのだから、私たちは安心していられる!

世界がエネルギー、交通、製造、インフラの面で大きな転換期を迎えていることは周知の通りだ。コンピューティング、3Dプリンター、人工知能の進歩に加え、こうした変化の大きな原動力となっているのが、よりクリーンで持続可能な代替手段への欲求だ。その結果、ワイヤレスインターネットやデバイス、電気自動車、EV充電ステーション、小型化された太陽電池や風力タービンなどの革新的な技術が生まれた。しかし、残念ながら、これらの技術革新は、有毒な電池や安全でない充電技術に依存している。

 Richard Mansell、Ken Mansell、Daniel Telehey、そしてMatthew Silbernagelらによって2017年に設立されたIVOは、今日のテクノロジーとイノベーションが直面する大きな問題に取り組むために立ち上げられた。この目的のため、IVOはCapacitive Based Aerial Transmission(CBAT)と呼ばれる技術を用いた無線エネルギー伝送ソリューションの開発に注力している。この柔軟でスケーラブルな技術により、メーカーはバッテリーサイズを最大50%削減することができ、グリーンエネルギー業界を破壊する勢いである。

また、この10年で商業宇宙企業の数が急増し、再利用可能なロケットや超小型衛星などの技術革新が進んだ。その結果、宇宙へのアクセスは格段に向上し、より多くの国や企業、学術機関がペイロードを軌道に乗せることができるようになった。しかし、宇宙産業は、有毒(または有毒な副産物)または大量の温室効果ガスを発生させる推進剤に依存しているのが現状だ。ケロシンやメタンを主成分とする燃料を使ったロケットの打ち上げでは、長距離飛行の100倍ものCO2を大気中に放出する(乗客1人当たり)。

2021年、IVOは慣性に関する別の理論を活用した新しい全電気推進システムの開発に着手した。IVO Quantum Driveと呼ばれるこの提案システムは、多くの物理学者が境界科学として見ている論争的なアイデアである量子化慣性(Quantized Inertia: QI)理論に依存している。

慣性の法則の代替理論

QI理論は、プリマス大学の物理学者Mike McCullochによって、Λ-CDMモデル(LCDM)の代替理論として2007年に初めて提案された。この理論は、一般相対性理論(GR)と量子場理論(QFT)を調和させ、ダークマターを必要としない方法で銀河の回転曲線を説明しようとするものだった(パイオニア・アノマリーの説明にもなる)。この理論は、2つの本質的な要素に集約される。

  1. GRでは、宇宙の加速度が光速を超えるため、光が物体に到達しない事象の地平線が宇宙に存在するとされている。物体が一方向に加速する場合にも同様の地平線が生じる(リンドラー地平面と呼ばれる)。これを超えるものは観測可能な宇宙の外であり、”リンドラー空間”の中心にある物体に影響を与えることは出来ない。
  2. QFTによれば、加速する物体に対して同様の放射が予測される(ウンルー輻射)。QIは、ウンルー輻射が慣性の起源であると仮定している。アルクビエール・メトリックと同様(ただしスケールは大きい)、リンドラー情報の地平は加速の方向に拡大し、その背後で縮小する。
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アルクビエールワープドライブを使用した宇宙船のイメージ図。(Credit: NASA)

また、McCullochはこの理論が、燃料なしで宇宙船を打ち上げるための基礎を提供できると主張した。この理論には何度も疑問が呈され、2012年には宇宙物理学者が宇宙船からの不均一な熱放射が速度を低下させたと結論づけ、アノマリーを解決した。それでも近年、McCulloch氏らはDARPAの助成金を得て、実験室でQIを調査する実験を行うようになった。IVO量子ドライブの打ち上げにより、この理論は初めて宇宙で検証されることになる。

量子イナーシャから量子ドライブへ

このようなシステムが検証されれば、従来の推進剤と比較して複数の利点が得られることになるが、その中でも最も注目すべきは極めて高い効率性だ。IVOによれば、1台の量子ドライブは、搭載された電力貯蔵装置と太陽光発電の組み合わせにより、1ワットの電力で最大52ミリニュートン(mN)の推力を達成することができるとのことだ。これは、1~7キロワット(kW)のホール効果スラスター(イオンエンジン)の推力25~250mNを大幅に上回るもので、エネルギー効率も65~80%と低くて済む。

IVOによれば、スラスタのモジュール設計も利点の一つで、複数のユニットを積み重ねて(しかも多軸で)大きな推力を得ることができ、個々の宇宙船のニーズに対応することが出来ると言う。その上、一般的なホール効果スラスタは200kg(440ポンド)以上の重量があるのに対し、外部および内部の量子ドライブユニット1個の重量はそれぞれ186.6gと103.5g(6.6と3.65オンス)に過ぎない。共同創業者であり、現在はIVOの最高執行責任者であるTelehey氏は、Universe Todayに電子メールでこう語っている。

「IVO量子ドライブは、現在の宇宙推進力の限界から完全に脱却したものです。IVO量子ドライブは、電気だけで動く初めての純粋な電気推進装置です。宇宙船を推進するために特別な燃料溶液を必要とする複雑な燃料システムの時代は終わりました。電気さえあれば推力が得られるので、史上初めて無制限のデルタ-Vが可能になったのです。自己完結型であるため、宇宙船に完全に内蔵できる初めての推進装置です」

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地球低軌道にあるローグ・ラウラ・オルボットのイメージ図。(Credit: Rogue Space Systems)

また、自己完結型のスラスターは、どのような向きにも取り付けることができ、最大で6つの自由度を提供する。推進剤が不要になれば、かさばる重い貯蔵タンクも不要になり、宇宙船全体の質量が減り、ペイロード容量が増加する。さらに、推進剤を必要としない推進システムであれば、燃料の制約による衛星への燃料補給や離脱の必要がなくなる。これらの利点は、「宇宙産業がこれまでに経験したことのないコスト削減の面で最も劇的な変化をもたらすでしょう」とTelehey氏は述べている。

すでにIVO社は、E-Labs(バージニア州にある試験・評価施設)と共同で、模擬宇宙環境における量子ドライブの検証を行った。Mansell氏の説明によれば

「量子ドライブは、電磁気、静電気、ローレンツ、コロナ放電、イオン風など、考えられる人工的な力を排除するために、複数の構成で高真空室(4×10-6 Torrまで)内でテストし、推力を測定しました。また、ベースライン測定用にコントロールドライブも製造されました。すべてのテストセットアップが、第三者によって評価されました。すべての量子ドライブは、予測された量子化慣性計算と一致する推力を示しました。コントロールドライブは、推力測定が他の既知の力と一致しないことを確認しました」

IVOは、推進システムを宇宙でテストするため、軌道上ロボット開発企業であるRogue Space Systemsと提携した。Rogueは、人類の宇宙での存在感を高めるために、第一世代のオービタルロボット(通称:OrbotsTM)を開発している。Orbotファミリーは現在、検査、監視、観測を目的としたLaura Orbotと、衛星やその他の資産を異なる軌道に移動させるために設計されたFredで構成されている。3機目の宇宙船が計画されており、その詳細は今年末に発表される予定だ。

3つの宇宙船はすべて、機械学習と自律機能を組み込んだオペレーティングシステム、AI-Enabled Sensory Observation Platform(AESOP)でサポートされている。このシステムにより、Orbotsは自律的に動作し、通信の遅れや地上の管制ステーションから宇宙船が見えない期間を補うことが出来る。また、衝突回避や近接追跡も可能で、Orbotが自動的に目標衛星の近くに位置し、適切なサービス方法を判断することが出来る。

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IVOの量子ドライブ (Credit: IVO)

「Rogue Space Systemsとのパートナーシップは、イノベーションに対する共通の情熱と、人類の能力を拡大するという究極の目的から生まれたものです」とTelehey氏は述べている。「人類は、何千年もの間、驚きと好奇心を持って星を見上げてきました。そして今、人類の歴史上初めて、私たちはこの遠い場所に手を伸ばし、触れることができるようになりました。私たちの組織はこのことを真剣に受け止め、IVOとRogueは共に歴史を作っていくつもりです」

論争に終止符を打つ

当然ながら、この実験のニュースや同社の主張には、多くの科学者がかなりの懐疑的な目を向けている。特筆すべきは、マギル大学の機械工学教授で、星間飛行実験研究グループのリーダーであるAndrew Higginsの存在である。2018年、Higgins氏は「Reconciling a Reactionless Propulsive Drive with the First Law of Thermodynamics」と題する論文を発表し、推進剤を使わない電磁駆動が物理的に健全ではないことを証明した。

Higgins氏によれば、推進剤に頼らない電磁気装置は、1キロワットあたり3.33マイクロニュートン(?N/kW)以上の推力を発生させないと、一種の永久運動マシンに終わってしまう。これは、一定の力を加えると加速度が一定になるため、物体の運動エネルギーが時間とともに二次関数的に増加するのに対し、入力されるエネルギーは線形に増加するためだ。その結果、物体の運動エネルギーは投入エネルギーを上回り、(このエネルギーを減速して回収すれば)エネルギーは正味で増加することになる。

つまり、この概念は、システムの内部エネルギー(E)は、システムへの熱伝達(Q)とシステムが行う仕事(W)の差に等しいとする熱力学の第一法則に違反している–数学的にはE2-E1=Q-Wと表される。Higgins氏はUniverse Todayに電子メールでこう語っている。

「IVO量子ドライブに関する私の見解は、EMドライブ、ウッドワード・マッハ効果スラスター、その他、電力入力を受けて推力出力を生成し、反応質量や押し付ける他の質量との相互作用はないと主張する装置と同じである。このような装置が、第一種の永久運動機械に変換できることを示すのは、些細なことである。つまり、ブラックボックスから電力を発生させるだけで、他の相互作用がない機械である」

これに対してMansell氏は、量子ドライブは無反応システムではなく、EMドライブとは比較にならないと述べている。「量子化された慣性の理論は、燃料なしで、ニュートンの運動法則に違反することなく宇宙船を動かすためのいくつかのユニークな方法を提供します」と述べた。「量子ドライブは、電気と私たちの特許出願中の構成を使って宇宙船を動かす。この構成は、地球の表面で可能な限りテストされています。次の決定的なテストは、LEOで行われる予定です」

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SpaceX社のFalcon 9ロケットで、IVO Quantum DriveをRogue Space Systems社の「Orbot」で今夏に打ち上げる予定だ。 (Credit: NASA/JOEL KOWSKY)

現在の成長レベルに基づくと、商業宇宙分野の総額は2030年までに1兆4,000億ドルに達すると予測されます。同様に、クリーンエネルギー分野も、10年後には1兆4,000億ドルに達すると予測されている。これらの並行した動きは、アクセス性が向上し、よりクリーンで安全、かつ効率的な代替品への需要が高い宇宙における企業の可能性を示している。そして、今回の実証実験のポイントは、このシステムとその基礎となる理論物理学を検証することにあるのだ。

もし失敗しても、科学者は物理法則を修正する必要がないので安心だ。成功すれば、とてつもないチャンスへの扉が開かれるだろう。結局のところ、賛否両論あるにせよ、誰もがその成果を期待していると言ってよさそうだ。

打ち上げは6月10日に予定されており、SpaceX社のYoutubeチャンネルを通じてライブストリーミングされる予定です。また、IVOのWebサイトからも、カウントダウンの様子や打ち上げの様子を確認することが可能だ。


Source


この記事は、MATT WILLIAMS氏によって執筆され、Universe Todayに掲載されたものを、クリエイティブ・コモンズ・ライセンス(表示4.0 国際)に則り、翻訳・転載したものです。元記事はこちらからお読み頂けます。

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