マヨネーズと核融合という、同時に語られることがまず考えられないこの2つの単語が紙面を飾ることになるだろうとは誰が想像しただろうか。だが、科学の偉大な発見は、時に思いもよらぬ奇抜な発想からもたらされる。ペンシルベニア州のリーハイ大学の研究チームが、日常的な調味料であるマヨネーズに着想を得た核融合反応のシミュレーションを行った結果を学術誌『Physical Review E』に発表したが、この研究はクリーンで持続可能なエネルギーの未来への扉を開く鍵となるかもしれない。
研究者はマヨネーズと核融合反応の不思議な類似点に着目した
核融合は、太陽やその他の恒星の中心で自然に起こる反応で、水素原子を融合させてヘリウムを生成する過程だ。この反応を地球上で再現し制御できれば、ほぼ無尽蔵のクリーンエネルギーを生み出せる可能性がある。しかし、その実現には極めて高い障壁が存在する。
これまでの研究から、恒星内部の核融合は約1500万度という超高温下で発生する。さらに、恒星の巨大な重力が水素原子同士の自然な反発力を克服して融合を引き起こしている。地球上にはこのような強力な重力は存在しないため、人工的な核融合反応炉では太陽の10倍以上、約4億度という途方もない高温を実現しなければならない。
このような極限状態を作り出すため、科学者たちは様々なアプローチを試みている。その一つが「慣性閉じ込め核融合」と呼ばれる方法だ。この手法では、重水素や三重水素などの水素同位体を含む豆粒大の燃料ペレットを金属カプセルに封入し、強力なレーザーで瞬間的に加熱する。理想的には、この過程でガスがプラズマ状態となり、核融合反応が起こるはずだ。
しかし、現実はそう単純ではない。リーハイ大学の機械工学者Arindam Banerjee氏が率いる研究チームは、この過程で発生する重大な問題に着目した。燃料となる水素ガスが膨張しようとするため、溶融した金属カプセルが水素の融合が起こる前に爆発してしまうのだ。この爆発は、金属カプセルが不安定な状態に入り、流動し始める時に発生する。
ここで、マヨネーズが重要な役割を果たす。Banerjee氏のチームは、溶融金属の挙動が低温下でのマヨネーズの振る舞いと酷似していることに気づいた。マヨネーズは、力を加えられると弾性、塑性、流動という3つの相を順に示す。これは、核融合反応器内の極限状態下での物質の挙動を研究する上で、理想的なサンプルとなる。
研究チームは、マヨネーズを高速で攪拌し、プラズマに似た状態に到達させる巨大な装置を開発した。そして彼らはHellmann社のマヨネーズを用いて実験を行った。Banerjee氏は次のように説明する。「マヨネーズにストレスを加えると変形し始めますが、ストレスを取り除くと元の形に戻ります。つまり、弾性相があり、その後に安定した塑性相が続きます。次の相は流れ始める時で、そこで不安定性が起こります」。
この実験により、研究チームは弾性回復が可能な条件を特定し、不安定性を遅らせるか完全に抑制する方法を発見した。さらに、エネルギー収率を向上させる条件も明らかになった。
もちろん、マヨネーズと太陽の10倍の温度の超高温プラズマとの間には大きな違いがある。しかし、この研究は核融合エネルギーの実用化に向けた重要な一歩となる可能性がある。Banerjee氏は「私たちは、この巨大な研究者の輪の中の一つの歯車に過ぎません。そして私たちは皆、慣性核融合をより安価に、そして実現可能にするために取り組んでいるのです」と語っている。
この革新的な研究アプローチは、核融合反応器内部で起こる流体力学的不安定性（レイリー・テイラー不安定性）のメカニズムを、超高温・超高圧の環境を作り出すことなく研究することを可能にした。これにより、核融合エネルギーの実用化に向けた道のりを加速させる可能性が開かれたのだ。
マヨネーズという身近な食品が、未来のエネルギー革命の鍵を握っているという事実は、科学の予測不可能性と創造性を如実に物語っている。この研究は、日常生活の中にある普通のものが、時として最も複雑な科学的課題を解決する手がかりになり得ることを示している。核融合エネルギーの実用化への道のりはまだ長いが、マヨネーズを使ったこの斬新な研究アプローチが、クリーンで無尽蔵なエネルギー源の実現に向けた重要な一歩となることは間違いないだろう。
論文
- Physical Review E: Transition to plastic regime for Rayleigh-Taylor instability in soft solids
参考文献
- Lehigh University: Lehigh University researchers dig deeper into stability challenges of nuclear fusion—with mayonnaise
研究の要旨
レイリーテイラー不安定性(RTI)は、降伏抵抗が大きい柔らかい材料で観察される。 不安定性の閾値を推定することは、いくつかの工学的応用にとって非常に重要であり、過去数十年にわたりいくつかの研究が行われてきた。 しかし、材料特性が大きく変化する弾性-塑性（EP）相転移閾値については、限られた関心しか払われてこなかった。 本研究では、時間的に変化する加速度プロファイルを持つ回転ホイール実験装置を用いて、軟質固体（マヨネーズ）のRTIにおける純粋弾性領域と安定塑性領域の間の相転移を探索する。 軟質固体の材料特性は、レオロジー技術を用いて評価した。 異なる初期摂動の波長と振幅の組み合わせを用いて、EP遷移の閾値とそれに続く完全回復可能な最大弾性ひずみにおけるそれらの役割を解析した。 初期摂動の寸法、摂動の急峻さ、摂動の質量が試料の安定性、EP遷移しきい値、最大完全回復弾性ひずみに及ぼす影響を解析した。 最大の完全弾性回復ポテンシャルを持つ試料と、この現象を支配するパラメータを同定し、その背後にある物理について議論した。 初期摂動波長を増加させると、必要な相転移加速度が減少する一方で、完全回復可能な最大弾性ひずみが増加することが観察された。 最後に、この問題に対する一般化されたアプローチを提供するために、材料の機械的性質と同様に摂動の寸法に関係する無次元パラメータを導入した。
コメント