核融合炉は、宇宙探査の“実験場”になるか

「未来のエネルギー源」として注目されてきた核融合炉を、惑星探査機のシミュレーションに用いる実験が注目されている。核融合炉で発生する超高温のプラズマが、木星や金星といったガス惑星の大気圏への突入を再現する上で最適な環境かもしれないからだ。これにより探査機の設計の最適化や新たな材料の開発に役立つ可能性が期待されている。

TEXT BY AMIT KATWALA

WIRED(US)

米航空宇宙局(NASA)の木星探査機「ガリレオ」のプローブ(大気圏突入観測機)は1995年12月7日、木星の大気圏に突入するとすぐに燃え始めた。その半年前に木星軌道周回船から切り離されたこの探査機は、約1億3,000万kmの旅の末に太陽系最大の惑星である木星の大気圏に到達し、木星を取り巻く水素とヘリウムの分厚い層を採取しようとしていた。

ガリレオのプローブは木星の大気と接触したときに遭遇する高温に耐えられるように注意深く設計されており、炭素複合材を使ったヒートシールドを備えていた。プローブの総重量の約50%を占めるその巨大なヒートシールドは、木星大気内を降下中に摩耗することで熱を放散するように設計された。

アブレーションと呼ばれるこの制御プロセスは、地上で注意深くモデル化されている。NASAはプローブへの熱負荷を再現して設計をテストするために「Giant Planet Facility(巨大惑星施設)」と呼ばれる特別な試験所を建設していたほどだ。

プローブが時速16万km以上で木星大気圏を降下するとき、摩擦によってプローブ周囲の大気は15,500℃以上に加熱される。その高温によって原子から電子が放出され、プラズマと呼ばれる不安定な状態が発生するのだ。

例えば、稲妻やオーロラなどの自然現象はプラズマによるものであり、太陽は巨大なプラズマ球である。プラズマは物質の第4の状態と呼ばれることが多いが、実際には最初の状態と呼ばれるにふさわしい。ビッグバン直後にはプラズマだけが存在していたからだ。

木星突入から判明した課題

このプラズマによって、NASAの誰も予測できなかったほど速く、ガリレオ・プローブのヒートシールドは崩壊した。NASAのエンジニアがプローブのヒートシールドに埋め込まれたセンサーから得たデータを分析したところ、慎重につくり上げてきたモデルが的外れだったことがわかった。

ヒートシールドの崩壊は想定をはるかに上回っていた部分もあれば、はるかに下回っていた部分もあった。プローブはかろうじて生き残ったが、それは設計に余裕をもたせて厚さを増していたからだった。

「この点は課題として残りました」と、オーバーン大学のプラズマ専門家であるエバ・コスタディノヴァは言う。「新しいミッションを計画したいなら、ミッション中に発生する状態をモデル化できるようになる必要があります」

ガリレオ計画のあと、科学者はプローブから得たデータを使ってアブレーションのモデルを微調整したが、それでも大きな問題に直面した。高密度の大気に高速で突入する状態を正確に再現することが非常に難しく、モデルの精度のテストが困難だったのだ。

このことは、いま使われている炭素複合材を使ったヒートシールドよりも軽量で優れた新しいヒートシールド材の開発においても、障害となっている。テストできないということは、10億ドルもする宇宙船に取り付けたとき、それが機能するか確信がもてないということだ。

それまでの実験ではレーザーやプラズマジェット、高速発射物体などを使って大気圏突入時の高熱を再現してきたが、どれも十分ではなかった。「木星などへの大気圏突入時に発生する高熱状態を再現できる航空宇宙施設は、地球上のどこにもありません」と、コスタディノヴァは言う。

そこで、コスタディノヴァとカリフォルニア大学サンディエゴ校の共同研究者ドミトリー・オルロフは、新たな共同研究である実験を進めた。その代替案は、核融合実験炉の高熱の内部を使用するというものだったのである。