空気と電気だけで稼働。ジェットエンジンに匹敵する推進力を持つ、新型マイクロ波プラズマ推進器

　プラズマの力で推進力を発生すると聞くと、なんだかSFに登場する夢のエンジンかのような響きがある。だがじつのところ、ソーラーエネルギーで機体を動かすプラズマ推進器なら、すでに宇宙船用に実用化されている。

　しかし、それらはあくまで宇宙空間での利用に特化したもので、地球の大気の中で使ってもまるで役に立たない。空気との摩擦で相殺されて、推進力がほとんど失われてしまうからだ。

　ところが、武漢大学（中国）の研究チームが開発したマイクロ波プラズマ推進器は、空気と電気だけで、航空機に搭載されているジェットエンジンに匹敵するほどのパワーを生み出すことができるという。

電気と空気だけで推進力を生み出す

　新型マイクロ波プラズマ推進器は、燃料などなくとも、電気と空気だけで機能することができる。それは次のような仕組みだ。

　まず空気をイオン化して低温プラズマを作り出し、これをエアコンプレッサーを使ってプラズマ管へ向けて放出。その途中でプラズマは強力なマイクロ波とぶつかり、これがプラズマに含まれるイオンを激しく震わせる。

　するとイオンはイオン化されていな原子と衝突し、プラズマの温度と圧力を一気に増大させる。このときの温度と圧力によって、プラズマ管内に推進力が生み出される。

　この推進器で重要なパーツが、マイクロ波を伝える平らな導波管だ。1kW、2.45GHzの磁電管で発生するマイクロ波は、導波管を介してプラズマ管へ送られつつ、半分の高さにまで圧縮される。

　この工夫が電場をいっそうパワフルなものにしてくれるおかげで、プラズマの熱と圧力を限界まで高めることができる。

ジェットエンジンに匹敵する推進力

　そうして得られたプラズマジェットの推進力は、通常の圧力計を破壊してしまい、計測できないくらい強力なものだった。

　そこで研究チームは、重さの異なるスチール製の球を軽い順にプラズマ管の先端に置き、吹き飛ばされなくなったときの重量から推進力を推測。

　その結果は、毎時400Wおよび1.45立米の気流で1ニュートン（N）の推進力――電力あたりに換算すると、28N/kWだったそうだ。 　ここから推測すると、テスラ社の電気自動車「モデルS」に採用されている310kWのバッテリーを利用すれば、8500Nの推進力を得られることになる。

　またエアバス社が開発する電気飛行機「Eファン」には、一対の30kW電気ファンが搭載されているが、これが発生する推進力は合わせて1500Nだ。電力あたりでは25N/kWなので、これと比べても新型プラズマ推進器は優れている。

　あくまで計測値からの推定に基づく比較ではあるが、既存の飛行機に搭載されているジェットエンジンに匹敵すると研究チームは主張している。

実際の実用性はどうか？

　もうすぐ燃料を燃やさないゼロエミッション飛行機が登場するのでは期待したくなるが、まだプロトタイプの段階であることを忘れてはいけない。たとえば、Ars Technicaでは次のように分析している。

　一番の疑問点は、この推進器のプロトタイプに流れ込む気流が、実物のエンジンの15000分の1でしかないことだ。そのため、現時点で確認された推進力と実用レベルのそれには、数字にして4桁ほどの開きがあることになる。

　これほどの開きがあるならば、実験データの延長上に実機レベルの性能があるとは思わない方がいいというのだ。

　実際、研究論文には気流を最大にしたときの最大出力について言及がないことから、すでに何らかの問題が発生している可能性もうかがえるようだ。

化石燃料の厚い壁

　さらに効率の点ではエアバス社のジェットエンジンに匹敵するとしても、航空機用の燃料が持つ重量あたりのエネルギーは、バッテリーよりもずっと大きいという現実もある。そのためにいくら動力性能が高くとも実際の改善率はごくわずかでしかない可能性も考えられるようだ。

　それでももし本当に実機レベルで優れた性能を発揮できるのだとすれば、ゼロエミッションの空の旅が実現するかもしれない。

　現在、研究チームはマイクロ波プラズマ推進器の改良に取り組むとともに、より正確に推進力を計測できる機器の開発も行っているというので、続報を待ちたいところだ。

この研究は『AIP Advances』（5月5日付）に掲載された。

Jet propulsion by microwave air plasma in the atmosphere: AIP Advances: Vol 10, No 5
https://aip.scitation.org/doi/10.1063/5.0005814

References:newatlas / arstechnica/ written by hiroching / edited by parumo
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