制御された核融合が達成できない場合、恒星間旅行は不可能でしょうか?実は、これらは2つの異なるものです。

核融合は人類の文明を向上させる上で障害になると考える人もいます。制御された核融合の開発に成功すれば、人類は恒星間旅行に乗り出すことができ、文明はより高いレベルにまで向上するでしょう。

この発言にはある程度の真実が含まれているが、多少不自然なところもある。なぜなら、この発言は 2 つの異なる問題の境界を混同し、2 つの事柄を 1 つにまとめてしまうからです。実際、具体的に言えば、制御された核融合と人類の深宇宙への旅は別の話です。

制御核融合と従来のエネルギーの比較優位性 人間が動物の中で際立って知的種になって以来、文明の進歩はエネルギーの使用方法の変化を伴ってきました。その過程で、人類は薪エネルギーの利用、化石燃料の利用、電気の利用、原子力エネルギーの利用といった段階を経てきました。人類の文明も原始時代から農耕時代、機械工業時代、自動化時代、情報化時代へと発展してきました。

そして、これらの使用されているエネルギー源はすべて、核融合の利点とは比較になりません。アインシュタインの質量エネルギー方程式理論によれば、物質の質量とエネルギーは等価な関係にある。質量を完全にエネルギーに変換できれば、このエネルギーは極めて巨大になります。しかし、質量をエネルギーに変換するための条件は非常に厳しいです。原子力エネルギーは質量エネルギー変換によって得られるエネルギーです。

質量エネルギー方程式の表現は、E=MC^2 です。ここで、E はエネルギー、M は物質の質量、C は真空中の光の速度を表します。

この式に従って計算すると、エネルギーに変換された物質 1kg (キログラムまたはキログラム) ごとに 9*10^16J (ジュール) のエネルギーが生成され、これは 250 億キロワット時の電力に相当します。伝統的なエネルギー源の燃焼から得られるエネルギーを質量エネルギー方程式に従って変換すると、薪は約 1.2×10^7J/kg、原炭は約 2.1*10^7J/kg、原油は約 4.2*10^7J/kg となり、質量エネルギー変換率はおよそ、薪 0.000000013%、原炭 0.000000023%、原油 0.000000047% となります。

核分裂によって得られる質量エネルギー変換率は約0.1％で、これは薪の約770万倍、原炭の約435万倍、石油の約213万倍に相当します。核融合の質量エネルギー変換率は約0.7％で、核分裂の7倍です。同じ1キログラムの原料から得られる効率は、核分裂の7倍です。したがって、質量エネルギー変換率は薪の5,390万倍、原炭の3,045万倍、石油の1,491万倍となります。

さらに有利なのは、核融合の原料が地球上ではかなりの期間にわたって無尽蔵にあることです。その主原料は水素（主に水素同位体の重水素または三重水素）であり、自然界の水は水酸化水素化合物です。水中の重水素と三重水素を分離すれば、核融合燃料として利用できる。

海水1リットルあたり0.03グラムの重水素が含まれていると計算されています。これを抽出し、核融合発電の燃料として利用することで得られるエネルギーは、ガソリン300リットル分に相当する。世界の水の埋蔵量は合計136兆トン、重水素の埋蔵量は40兆トンにも及び、これは石油の埋蔵量120兆トンに相当します。

いくつかの組織の予測によれば、世界の石油埋蔵量は依然として約9000億トンである。毎年50億トン採掘すれば、埋蔵量はさらに180年間使用できる。しかし問題は、石油汚染、主に炭素排出が環境にますます深刻な影響を及ぼしていることです。温室効果は今やますます顕著になってきています。もしそれが変化し逆転しなければ、人類は今世紀末まで生き残れないかもしれない。

水に含まれる核融合燃料の量は、世界の石油埋蔵量の44,000倍に相当します。さらに重要なことに、核融合にはもう一つの利点があります。化学燃料や核分裂エネルギーと比較して、放射性汚染物質や二酸化炭素などの温室効果ガスを排出しない、完全に無公害のクリーンエネルギーであるということです。

したがって、制御された核融合を実現することが、現時点では人類文明の発展にとって最善の選択肢です。

航空宇宙分野における核融合の大きな利点は、制御された核融合により少量の燃料で膨大な量のエネルギーを生成できるため、人類のエネルギー利用における大きな進歩となることです。制御された核融合技術が成熟すれば、将来の深宇宙航行の動力源として、人類の深宇宙への旅に間違いなく恩恵をもたらすだろう。

今日の有人宇宙船に必要な燃料は依然として主に化学推進剤であり、打ち上げに必要な量は非常に大きい。例えば、前世紀のサターンVの離陸時の質量は3,040トンでしたが、地球-月遷移軌道に送られたアポロ宇宙船の重量はわずか45トンで、ペイロードは打ち上げ質量の約1.5％に過ぎず、2,700トン以上の燃料が消費されました。

我が国の嫦娥5号を打ち上げた長征5号「堯5号」の離陸重量は約870トンでした。嫦娥5号が地球・月遷移軌道に入ったときの重量はわずか約8.2トンで、搭載量は打ち上げ質量の約0.94%にしか達しなかった。最も先進的なマスク・スターシップでも離陸重量は約5,000トンあり、そのうち3,400トンはロケット燃料です。 1,420〜1,470トンの満載のスターシップを地球-火星軌道に送ることができ、そのペイロードは離陸質量の約28％です。

これだけでも十分すごいのですが、燃料消費量は依然として膨大で、火星に向かう宇宙船の実際の積載量はわずか100～150トンですが、燃料は1,200トンです。

核融合発電が導入されれば、この現象は破壊的な変化を遂げるだろう。核融合の質量エネルギー変換率は0.7％に達するため、1kgの核融合燃料から6.3*10^11KJのエネルギーを得ることができます。一方、N2H4（ヒドラジンまたは無水ヒドラジンとも呼ばれる）などの従来のロケット化学燃料1kgの完全燃焼によって放出されるエネルギー（N2H4+O2=N2+2H2O）はわずか19412.5KJであり、質量エネルギー比は核融合の3245万分の1にすぎません。

したがって、ロケットの打ち上げに 5,000 トンの化学燃料が必要な場合、必要な核融合燃料はわずか 154 グラムです。実際のところ、その数はこれよりはるかに少なくなります。化学燃料ロケットの打ち上げには大量の燃料が必要であり、搭載された燃料のほとんどが同時に宇宙に送り出され、その過程で燃焼されるからです。

核融合燃料を使えば、ペイロードを宇宙に送り込むだけでよく、燃料を送るという悪循環で大量の燃料を消費する必要がありません。しかし、核融合炉は宇宙船の質量の大部分を占める可能性があります。しかし、いずれにせよ、ロケットと宇宙船の質量は大幅に軽減され、打ち上げに必要な燃料も少なくなるはずです。

このように、数キログラムの核融合燃料を運んでいれば、長期間宇宙を旅することができます。

さらに、理論的には、核融合エンジンの比推力は化学燃料の比推力よりもはるかに大きくなります。化学燃料ロケットの比推力はわずか 250 から 450 ですが、核分裂ロケットの比推力は 800 から 1000 に達し、核融合ロケットの比推力は 2500 から 20000 に達します。

制御された核融合を実現することは極めて困難です。実は、人類は前世紀にすでに核融合のエネルギー、つまり水素爆弾の爆発を手に入れていました。しかし、このエネルギーは一時的なもので、一瞬で消えてしまいます。それは戦争と抑止力にしか使えず、人命には何の役にも立ちません。人類に必要なのは、ゆっくりと長期間放出できる核融合です。この種の核融合は制御核融合または「人工の小さな太陽」と呼ばれます。

制御された核融合が「人工の小さな太陽」と呼ばれる理由は、太陽が膨大なエネルギーを放出するために中心部での継続的な核融合に依存しているためです。制御核融合は、太陽の核融合方式を地球上で再現するプロセスです。

しかし、太陽における核融合は、3000億気圧の圧力と1500万Kの温度の環境下で起こります。太陽の巨大な質量によって形成される重力のおかげで、核融合は中心核で継続して起こります。地球上で3000億気圧の圧力を作り出すことは不可能です。制御された核融合をどうやって実現できるのでしょうか?研究により、これを達成する唯一の方法は温度を上げることだと判明した。核融合を刺激し、安定的に継続させるには、温度が1億度以上に達する必要があります。

このように、このような高エネルギーの核融合プラズマをいかにして閉じ込め、エネルギーをいかにして利用可能なエネルギーに変換するかが、科学者が克服しなければならない困難な問題となっている。科学者たちは何十年も苦労してきましたが、まだ良い解決策は見つかっていません。なぜなら、地球上には、1万度どころか1億度の高温にも耐えられる物質が存在しないからです。

科学的研究により、高温プラズマを閉じ込める理論的な方法は現在 3 つあることがわかっています。すなわち、太陽のような閉じ込め形式である重力閉じ込め、磁気閉じ込め。磁気井戸を作り、プラズマを磁気井戸内に閉じ込めて、プラズマが機器に衝突するのを防ぐ。慣性閉じ込めとは、レーザーや粒子ビームなどの動力源を使用して、核融合物質（重水素または三重水素）を充填した小型球形ターゲットに高速で衝突させ、ターゲットに大きな内向きの圧力を形成して核融合を刺激するものです。

地球上で数千億気圧の重力制約を形成することは不可能なので、後者の 2 つの方法しか採用できません。現在、各国で最も一般的に使用されている実験装置はトカマク装置と呼ばれ、中核部分が人工磁気トラップである磁気閉じ込め装置です。現在、この磁気トラップ内で1億度を超える高温を制御する実験は達成されていますが、時間はまだ短いです。

2021年、中国は1億2000万℃のプラズマ運転を101秒間維持し、7000万℃のプラズマ運転を1056秒間維持するという世界記録を樹立した。

核融合の点火と維持動作自体には膨大なエネルギーの投入が必要です。エネルギー入力が出力より大きければ、それは無価値です。したがって、問題の鍵は、出力エネルギーを入力エネルギーよりもはるかに高くする方法です。今年2月9日、欧州合同トーラス研究所は、2種類の水素（重水素と三重水素）を圧縮することで、5秒間で59メガジュールの電力が生成されたという朗報を発表しました。

このエネルギー量はわずか16度の電気に相当し、数個の鍋の水を沸かす程度にしか使えないが、中国がどれだけ長い間高温を維持してきたかという記録と同様に、大きな意義がある。核融合の専門家アーサー・タレル博士は、「これは驚くべき成果であり、歴史上核融合反応の最大エネルギー出力を達成した画期的な出来事だ」とコメントした。この時間は長くはないが、核の時間スケールでは非常に長い時間であると彼は信じている。この画期的な進歩により、今後の道のりははるかに容易になるでしょう。

しかし、多くの専門家は、制御された核融合の商業運転が実現するまでには少なくとも30年から50年はかかると考えています。核融合発電は深宇宙に行く唯一の選択肢ではない

核融合エンジンは、将来人類が太陽系を抜けて深宇宙へ飛び出すための理想的な動力源の 1 つであることは間違いありませんが、唯一の選択肢でもなければ、最良の選択肢でもありません。

科学者たちは原子力に加えて、光帆技術など、深宇宙旅行のための多くの電力ソリューションも提案してきました。有名な科学者ホーキング博士は、生前「ブレイクスルー・スターショット」プロジェクトを立ち上げた。これは、レーザーを使って光帆を光速の20%（秒速6万キロメートル）まで加速させ、切手サイズの探査機をプロキシマ・ケンタウリまで引きずり込み、20年以上後にプロキシマ・ケンタウリの写真データを送信するというプロジェクトである。

しかし、この考えは非常に困難であり、ホーキング博士の死後、その進展に関するニュースは何も出ていない。

太陽帆を使うというアイデアもあり、これは星の光圧を利用して宇宙船を遠く離れた場所まで推進するというものだ。光圧は非常に小さいですが、燃料を運ぶ必要がありません。星がある限り永遠に前進し続けることができ、どんどん速くなり、最終的に非常に高い速度に達します。

現在航空宇宙で広く使用されているプラ​​ズマスラスタは、まず気体の作動流体をイオン化し、強力な電界の作用で粒子を加速し、その反力によって宇宙船を押し出すという原理に基づいています。この方式の推力は非常に小さいですが、比推力は1000～30000に達し、効率は極めて高いです。

推進技術として小さな核爆発を利用する核パルスロケットもあります。比推力は10,000～1,000,000に達し、光速の10～12%の速度で飛行することができます。

また、作業を行うために作動流体（つまり、燃料または電気）を必要とする従来のエンジンとは異なる、反応型エンジンもあります。このタイプのエンジンは、あらゆる形態のエネルギーを機械エネルギーに変換できます。しかし、このエンジンはまだ理論と実験の段階にあります。これは運動量保存の法則に違反していると考える人もおり、いまだに多くの論争が続いています。

もちろん、反物質は最も高いエネルギー効率比を持っています。反物質と物質が衝突すると、それらは互いに消滅します。消滅プロセスにより質量のエネルギーがすべて解放され、100% 完璧な質量エネルギー変換が実現します。 1kg の反物質と 1kg の物質 (日常生活で目にするあらゆる物質) が消滅すると、合計 2kg のエネルギーが生成されます。このエネルギーは1.8*10^17Jで、500億キロワット時の電力に相当し、核融合のエネルギーの285.7倍に相当します。

反物質を燃料として使用することで、比推力は100万から1000万に達することができます。

しかし、反物質は物質と遭遇すると消滅してしまうため、入手が極めて困難で、保存も非常に困難です。現在の人類の技術では、たとえ世界の国民所得のすべてを反物質の生産に使ったとしても、1年間何も食べたり飲んだりしなかったとしても、1マイクログラム（1グラムの1000分の1）も生産できないだろう。したがって、反物質を深宇宙旅行の動力源として使用するという現在の検討は、空想というよりも幻想的です。

理論的には、ワームホール通過やワープ速度での移動は人類の将来において可能になるかもしれない。これら 2 つの深宇宙旅行方法は、光速の壁を破ることなく光速を何倍も超えることができますが、膨大なエネルギー、あるいは負のエネルギーさえも必要とします。これらの技術が実現されれば、人類の文明は新たな段階へと突入するでしょう。

核融合は、これまで反物質以外で人類が発見した最も質量からエネルギーへの変換率の高いエネルギー利用方法です。しかし、この方法で達成される質量からエネルギーへの変換率はわずか 0.7% です。反物質と反物質の 100% 完全な変換の間には、まだ 99.3% のギャップがあります。将来、このギャップを埋めるための新しい変換方法が登場するでしょうか?誰も知らない。

宇宙は広大で無限であり、現在人間が理解している自然法則はまだまだ少なく、表面的なものにすぎません。人類が発見し理解するのを待っている深遠な法則は、まだまだたくさんあるに違いありません。宇宙探査の将来には、間違いなくより多くの、より良い選択肢が生まれるでしょう。

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