室温超伝導体は非常に人気がありますが、これは航空宇宙産業にどれほどの利益をもたらすのでしょうか?

最近、韓国の新聞が世界初の常温超伝導物質を発見したと主張し、注目を集めている。インターネット上の雑音をすべて無視するなら、次の 3 つの質問を明確にしたほうがよいでしょう。超伝導と室温超伝導とは何でしょうか。関連する成果を達成するために、科学研究者はどのような技術的な困難を克服する必要がありますか?室温超伝導が実現すれば、航空宇宙分野でどのような応用が期待できるでしょうか?

魔法の背後には多くの制限がある

室温超伝導について議論する前に、超伝導の概念を理解する必要があります。いわゆる「超伝導」とは、電流が導体を妨げられることなく流れ、強力な磁場を発生させることを意味します。日常生活における超伝導の最も一般的な応用シナリオは、ニオブチタン合金線で作られたコイルを中核部品とする病院の MRI 装置です。

しかし、この物質を超伝導状態に到達させるためには、従来、大量の液体ヘリウムと極低温冷凍機を使用してマイナス264度程度まで冷却する必要があり、膨大なエネルギー消費、液体ヘリウムの高額なコスト、複雑な構造など、間違いなく莫大なコストがかかります。近年、材料技術の進歩により、液体窒素温度域（約マイナス196℃）やそれ以上の温度域で超伝導特性を発揮できる材料が次々と発見・改良されていますが、まだ常温には程遠いのが現状です。

宇宙電磁発射装置の想像図

超伝導研究は20世紀の材料科学における最先端分野でした。 1908年、沸点が約マイナス269度の液体ヘリウムの製造に成功し、超伝導研究の基礎が築かれました。 1911年、研究者たちは、液体ヘリウム環境の極低温下では水銀の抵抗が突然消失することを発見しました。これが超伝導研究の「出発点」だと考えられています。 1933年、ドイツの物理学者マイスナーとオッセンフェルトは、物質の温度が超伝導臨界温度以下である限り、その内部の総磁気誘導強度はゼロ、つまり完全な反磁性を持つことに気づきました。これが超伝導の試験基準である「マイナース効果」です。

では、低温超伝導はどのようにして起こるのでしょうか?その答えは、精巧な微視的世界にあります。

古典理論によれば、抵抗は電線内の電子の衝突と妨害によって発生すると考えられています。

しかし、超伝導材料では、電子がいわゆる「クーパー対」を形成し、ダンスをするように素早く障害物を避け、抵抗ゼロで電流を流すことができる。この驚くべき現象は、物質結晶内の原子の振動によって引き起こされると考えられており、これはバーディーン、クーパー、シュリーファーによって提唱された「BCS理論」です。

しかし、液体ヘリウムなどの極低温条件の制限により、超伝導を大規模な工学プロジェクトで使用することは長い間困難であり、研究者は「高温」超伝導体の研究に多大な熱意を注ぐようになりました。 1986 年、科学者たちは、イットリウムバリウム銅酸化物やビスマスベースの材料などが比較的高い液体窒素温度でも超伝導性を示すことを発見し、嬉しい驚きを覚えました。これは、入手しやすく安価な液体窒素を超伝導冷却剤として使用できることを意味します。

この画期的な成果は、超伝導の実用化に向けたより広い「舞台」を提供するとともに、多くの大規模な科学施設の建設を強力にサポートします。たとえば、EAST や国際熱核融合実験炉などの施設では、新しい超伝導ケーブルを使用して、冷凍システムの電力要件を効果的に削減しています。

しかし、現状では「高温」超伝導体の研究は「理論が現実に追いついていない」というジレンマに直面しているようだ。科学者たちはその謎を解明するために懸命に研究を重ねていますが、その具体的な原理はまだ完全には解明されておらず、基本的には仮説の段階にとどまっています。例えば、一部の学者は、電子と新しい凝縮物質現象の間の複雑な相互作用が「高温」超伝導体の誕生の主な理由である可能性があると考えています。

超伝導研究の分野におけるいわゆる「高温」が、一般の人々が日常生活で体験できるものではないことは容易に想像がつくでしょう。したがって、室温の条件下で超伝導を得ることはさらに困難です。

航空宇宙用途の無限の可能性

宇宙飛行は、速度を利用して惑星の重力の制約から解放され、広大な宇宙を探索し、開発する偉大な事業です。最も古典的な宇宙船運搬船はロケットであり、一般的には燃料の燃焼によって発生する高温高速ジェットを利用して強力な反力を発生させ、ペイロードを大気圏外まで継続的に加速して持ち上げます。

しかし、既存のロケットのほとんどは地上の発射台から直接離陸します。空気が濃く抵抗が大きい対流圏から加速して飛び去るためには、大量の燃料が必要であり、これはロケットが貴重な積載能力を多く失うことも意味します。

この問題を解決するために、宇宙打ち上げ機関は、航空機に搭載したロケットの空中打ち上げ、巨大な飛行船や気球を使用したロケットの高高度への打ち上げ、遠心分離機を投げ出してのロケットの打ち上げなど、さまざまな革新的な解決策を提案してきました。

例えば、米国の空中発射ロケット「ペガサス」は 1990 年に軌道に乗ることに成功しました。打ち上げ前には、特別に改造された旅客機の胴体の下に吊り下げられました。運搬機が高度約１万３０００メートルをマッハ０．８の速度で飛行していたところ、ロケットを切り離し、続いて第１段固体燃料エンジンに点火して上昇を加速した。

しかし、これらの打ち上げ方法にはいずれも、航空機などのプラットフォームの運用・保守コストの高さや輸送能力の限界など、いくつかの欠点があります。一般的に小型ロケットしか打ち上げることができず、軌道に乗る能力がありません。たとえば、ペガサスロケットは、高度700キロメートルの太陽同期軌道で200キログラム強の荷物しか積めず、小さな積載物しか軌道上に運ぶことができません。打ち上げコストは、多くの大型および中型地上打ち上げロケットよりも高くなります。そのため、ペガサスロケットやその後の空中発射ロケットの大規模な応用は常に困難でした。

しかし、常温超伝導材料が誕生し、実用化に成功すれば、宇宙打ち上げの歴史は「新たな1ページ」を開くことになると期待されている。たとえば、研究者やエンジニアは、磁気浮上式鉄道や電磁カタパルトの原理を利用して、地面に対して垂直な磁気浮上式鉄道の線路に似た構造を持つ新しいコンセプトの宇宙打ち上げ装置を構築することができます。

その時、立った発射塔上では、サスペンションコイルがロケットの発射方向を維持し、ロケットが軌道との摩擦によって抵抗を生じないようにする役割を担います。加速コイルはロケットに強力な離陸推力を与え、できるだけ早く濃い空気のある地表付近の高度から脱出するのを助けます。ロケットは打ち上げ装置によって完全に加速され、対流圏を抜けると、第1段エンジンが点火され、加速と上昇を続け、最終的に軌道に入ります。

空中発射と比較すると、この発射方法は基本的に電力のみを消費します。さらに、常温超伝導材料は複雑な冷却システムを必要としないため、打ち上げ装置の規模を非常に大きくすることができます。そのため、より重いペイロードを軌道に乗せることができるようになり、打ち上げコストも大幅に削減されると期待されます。より大型の宇宙船の組み合わせや新たな形の宇宙活動が生まれる可能性が高くなります。

常温超伝導材料は、宇宙打ち上げの分野に加えて、衛星、宇宙船、その他の宇宙船にも幅広く応用できる見込みがあります。

たとえば、宇宙船の設計プロセスでは、電子機器や敏感な機器を外部の磁場からの干渉から保護するために、適切なシールド対策が必要です。室温超伝導体は磁気シールド装置に最適な材料となるでしょう。必要なのは、シェルを作成し、その中に磁場に敏感な機器や装置を配置して、内部に安定した磁場シールド領域を形成することだけです。

さらに、宇宙船内部の従来の金属線に代わる線材の製造に常温超伝導材料を使用すれば、消費電力が削減されるだけでなく、発熱も大幅に低減され、電源や温度制御システムの設計が簡素化され、新しい衛星の性能向上や構造の軽量化にも貢献すると期待されています。

つまり、超伝導技術はわずか数十年で驚異的な進歩を遂げ、人類がより良い生活を追求し、未知の世界を探索するための新たな可能性をもたらしました。研究者たちは超伝導に関する研究と実験を継続的に深め、物質の限界を探求し挑戦し続けています。多くの最先端技術の優先応用分野である航空宇宙は、将来、常温超伝導が実現すれば、間違いなくここで輝き、人類が広大な空をさらに探索し、開発するのに役立つでしょう。 （著者：万米青空翔宇 画像出典：SF映画・テレビ作品評論専門家：中国航天科学技術公司科学技術委員会副委員長、蒋凡）