架空の相転移エンジンと核パルスエンジンについて

Question

宇宙戦艦ナデシコというアニメに出てきた相転移エンジンと核パルスエンジンについて教えてください。
Wikiでの用語解説を読んで相転移エンジンについては以下のような記述がありました。
『相転移エンジンはインフレーション理論で説明される真空の相転移を利用し、真空の空間をエネルギー準位の高い状態から、低い状態へ相転移させる事でエネルギーを取り出す』
と書いてあったのですが、今一よく分かりません。
インフレーション理論で説明される、真空の相転移とは何なのですか。
真空の空間をエネルギー順位の高い状態から、低い状態へ相転移させるとはどういう事なのでしょうか。
また何の説明もない核パルスエンジンについても想像でかまいませんので思いついた内容を書いて下さると大変助かります。
私には詳しい科学知識がありませんので、できるだけ解りやすく書いて頂きたく思っています。
どうぞ宜しくお願い致します。

cozycube1 · Accepted Answer

SF設定は、できるだけ科学考証（物理学など科学では正しいとされること）を推し進め、それに関するSF考証（どこで嘘をつくかということ）をできるだけ少なく、小さくするのが腕の見せ所ですね。

相転移というのは、物質は気体、液体、固体という三つの「相」（という状態）があるわけですが、液体が気体に変わる、固体が液体に変わる、といった変化のことをいいます。
　ご存知のように、相が変わるときは、潜熱というものが発生したり吸収されたりします。気体が液体に相転移するとき、潜熱が発生しますが、これが気化熱の発生です。

インフレーション理論では、宇宙の始まりは物質も重力と言った力も何もない真空（現在の真空と区別するときは偽真空などと呼びます）だとし、その後（といっても、超一瞬ですが）、物質が生まれたとされています。
　何もないところから物質が出てきたということで、フリーランチ（無料の昼食）などといわれたりしますが、実はエネルギー収支は合っています。というのも、物質は正のエネルギーですが、物質間に働く重力はエネルギーとしては負なので、この正負合わせてゼロだということになっています。

重力は「場」です。つまり空間にあるものです。これがエネルギーとしてはマイナスなのですから、偽真空のほうが普通の真空より、エネルギーがあることになります。この偽真空普通の真空への相転移について、エネルギーの多寡を表す時に言う「準位」という用語を使えば、「真空の空間をエネルギー準位の高い状態から、低い状態へ相転移させる」という表現になってきます。

物質と言いましたが、これは光といった正のエネルギーと言い換えたほうが正確です。これが重力による位置エネルギーのマイナスと釣り合います。
　これが、物質の相転移で潜熱が出ることと似ているため、真空の相転移と呼ばれるようになりました。偽真空が気体だとすれば、それが潜熱というエネルギーを放出して液体になったのが、今の普通の真空だというわけです。

今でも、偽真空があれば、それを普通の真空に相転移させれば、エネルギーを得ることができることになります。まあ、どこにあるのだかまったく分かっていませんが。
　しかし、そこを狙ってSF考証をして、「あるんだ、どこでも使えるんだ」として、便利なエネルギー源としてフィクションによく利用されています。作品によっては、宇宙エネルギーなどと言い換え、インフレーション理論由来なことをぼやかしていることもあります。

核パルスエンジンは、お椀のような物の中で核爆発を起こし、普通なら光（これは運動量がある）を含めた飛散物が四方八方平等に放出されるのを、一つの方向に集中させ、運動量を得るものです。普通のロケットは化学反応ですが、核反応はけた違いに効率が良いため、少ない燃料で大きく長く出し続けられる推進力を得ることができます。

実際に、オリオン計画（またはオライオン計画）という、実用に向けた検討が為されています。化学燃料では火星に行くのも大変ですが、核パルス推進なら冥王星ですら、比較的に簡単に行け、さらに光速の数パーセントまで加速可能で、最も近い恒星であるアルファ・ケンタウリにも数十年で行けるとされていました。予備実験として、化学物質の爆薬で実験も行われ、充分可能ではないかとされていました。
　残念なことに計画は中止されました。宇宙での核爆発を禁止する条約が成立したのが原因という人もいますが、中止理由の詳細は不明です。

しかし机上のプランとして、核パルス推進を利用する宇宙船建造・恒星間飛行を目的とするダイダロス計画なるものも立案され、こちらは光速の12パーセントまで可能だと結論しています。オリオン計画では核分裂を主に考えていましたが、ダイダロス計画ではそれより効率のいい核融合を使っているため、そういう差が結論に現れています。

cozycube1 · Answer

お礼、ありがとうございます。

申し訳ありません！　まずは先の回答の訂正からいたします。

>　主観というのが相転移する物質（氷→水→水蒸気、といった順）、

潜熱の発生として、まったく逆順を書いてしまいました。こういう間抜けを時々やらかします。

>　主観というのが相転移する物質（水蒸気→水→氷、といった順）、

に訂正させてください。最初に書いたのが下の箇条書きと逆になっていて、箇条書きが発熱順です。信用して読んでくださっているのに、本当に申し訳ありません。

>その上で、今回の補足に対する回答を最後にメールでの質問回答をお願い致したいのですが、どうでしょうか。

大変に光栄な仰せつけではありますが、それをすると、運営当局のポリシーに反する行為となる恐れがあります。たとえ使い捨てのフリーメールだとしても、個人を特定する情報になってしまいます。質問者様にとっても、私にとっても、最悪はここでの発言に規制がかかる恐れがあり、デメリットが大きいかと存じます。
　また、たまたま答えられる範囲で答えておりますが、私の知らない範囲の巨大さを考えると、個人的にご相談に乗れることは、数少ないかと存じます。
　もしよろしければ、ここで続けると言うことでいかがでしょう。たくさんの方々の知恵を得るという意味でも。

cozycube1 · Answer

お礼、ありがとうございます。補足、承りました。遅くなりまして申し訳ありません。

>相転移の場合は主観的には発熱で、客観的には吸熱と理解していいのですか。

主観というのが相転移する物質（氷→水→水蒸気、といった順）、客観というのがその周囲ということですね。そういう理解もＯＫでしょう。

>高いところから低いところと言うのは、『温度が』を主語に入れていいのですよね。

はい、ＯＫです。最初から、温度を入れて書いておけばよかったですね。済みません。

>この式(Ｔ１－Ｔ２) / Ｔ１の後に１００をかけなくていいのでしょうか。

あ、パーセントで表すなら100を掛ける必要がありますね。式としては「0～1」を意識していたのですが、説明文でパーセントで言ってしまったため、無用の混乱となりました。これも、お詫びします。

>相転移に関してのプロセスを箇条書きで書いてもらってもいいですか。

水の相転移なら、以下のような感じです。状況は冷凍庫に水蒸気が詰まっているイメージです。

1.水蒸気が凝結して水となっていき（相転移開始）、同時に潜熱を発生させ、周囲を温める（周囲＝冷凍庫からすれば、水蒸気を冷やす）。
2.結果として、水と温まった周囲が残る（相転移終了）。
3.さらに、周囲が水を冷やしていくと、水は摂氏0度より温度が下がらなくなる。
4.同時に、水は氷結を始め（相転移開始）、周囲に潜熱を与えて、周囲を温める。
5.結果として、水は氷となり（相転移終了）、以後、周囲に冷やされるまま冷えていく。

ご質問されておられる、真空の相転移は以下のような感じでしょう。何かに模して定性的に説明すると、エネルギーの正負が、どうもうやむやですが、ご容赦ください。

1.まず、エネルギー準位の非常に高い真空が生まれる。
2.エネルギー準位が高いことは、不安定を意味するので、エネルギー準位が下がる方向に現象は進む。
3.真空は、エネルギーを解放してエネルギー準位を下げ（相転移開始）、それが光や、ひいては物質を生み出す。
4.この過程で、重力や電磁気力といった「力」が生まれてくる（正確には一つの力が四つの力に分かれていくんですが）。
5.エネルギー準位の低い安定した真空（相転移終了）と、光や物質、それらの間に働く力がある現在の宇宙となる。

これを、宇宙船のエンジンといった、ローカルな場所でも自由に起こせる、というのがナデシコなどのフィクションにおける設定でしょうね。

cozycube1 · Answer

お礼、ありがとうございます。補足、承りました。まず、

>気分を害されたなら深くお詫びします。

なんて、とんでもない。知りたいことがある方にお役に立てれば本望です。それには、ずけずけと思うような補足ご質問であっても、回答者として嬉しいのです。「わーい、私の説明、聞いてくれる人がいた！」ってな、感じでしょうか。納得するまで考えることは大事だし、私もそうしてきました。同志がいて嬉しいですね。

さて閑話休題。

>まず、吸熱とは熱を吸う事で固体が液体になり、液体が気体になる事でしょうか。

立場を明確にしておきましょうか。固体から液体、さらに気体となる物質にとっては吸熱です。その物質の周囲から言えば発熱です。発熱するなら吸熱がある。それが物質の周囲です。
　要は熱の流れなんですね。相転移前＝高温みたいである熱源（周囲）からすれば熱を与えているし、周囲＝低温で、温度はそのままでも相転移する物質からすれば熱を受け取っているわけわけです。何が基準で説明するか、そこは大事だろうと思います。

>気体→液体→固体がどうして発熱になるのかもう少し掘り下げて詳細な説明

ですので、そのように相転移する物質からみたら、発熱なんですね。これは、周囲の吸熱と対です。その物質を孤立させて考えたら、相転移は起こらないかもしれない。熱がスムーズに流れて、初めて相転移が起こると言えます。
　だから、その物質の周囲から見たら吸熱になります。周囲からすれば、その物質の熱を受け取ってやれるから、その物質は温度を変えずに相転移するということです。

さらに実は相転移があるかどうかは問題ではないのです。相転移という言葉を使うのは、それがもっともらしいからです。要は、高いところから低いところに移すなら、エネルギーが取り出せる、ということなんです。

これは普通にあることなんですよ。高温源から低温源に熱が伝わることで、仕事（エネルギーと言ってもいい）を取り出すことができる、それが熱機関であり、それを教えるのが熱力学です。最も単純な熱エネルギーの効率の公式をご紹介しておきましょう。Ｔ1が高温源、Ｔ2が低温源です。

最大の効率＝（Ｔ1－Ｔ２）/Ｔ１

低温の限度は絶対零度、このとき100％の効率が理論上は可能です。これは難しいので、普通は高温源の温度を上げて効率を高めます。温度を準位と言い換えれば、ご質問に対応します。

cozycube1 · Answer

お礼、ありがとうございます。補足、承りました。

>気体→液体→固体の順番では無く、全く逆の展開で熱エネルギーを発生しています。
>回答者様の言う気体→液体→固体の順番では無く、全く逆の展開で熱エネルギーを発生しています。

ふーむ。私が書いた、

>気体が液体に相転移するとき、潜熱が発生しますが、これが気化熱の発生です。

でしょうか。発熱としての潜熱は、気体→液体→固体の順番ですよ。打ち水をして涼しくなるのは、液体→気体だからです。これは吸熱。逆に熱を加えないと蒸発は起こりませんね。ウィキペディアの言う、

>物質が固体から液体、もしくは液体から気体に相転移するときには吸熱が起こり、逆の相転移のときには発熱が起こる。

ということです。固体→液体→気体で吸熱、逆で発熱ですね。相違はありません。

>氷が溶けて周囲の気温を下げながら水自体の温度が上がれば

水も周囲の温度を奪うということを混ぜた表現ですが、固体→液体で吸熱です。

吸熱の反対の過程が起これば発熱です。
　もし「ここがおかしい」というところ指摘して頂ければ答えられると思います。いやはや、書いた本人と言うのは思い込みがあって気が付きにくいのです。ここがこう、と言われて初めて気が付くということが少なくありません。
　間違っていれば、取り下げて、きちんと説明し直しますので、お手数ですがよろしくお願いいたします。

TT414 · Answer

-Ken-Ken-さんの回答へ追加です。
≻核パルスエンジンは、リアルな物です。
≻核爆弾(核分裂爆弾でも核融合爆弾でもよい)を爆発させて、その爆発力で推進するタイプのエンジンです。

とありますが爆弾の大きさについて書いていませんが。爆弾の大きさは1mm未満です。極小型爆弾を1秒間に数十から数千発連続で爆発させると言うものです。
核兵器クラスの爆弾を爆発させるわけではありません。
http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%83%AC%E3%83%BC%E3%82%B6%E3%83%BC%E6%A0%B8%E8%9E%8D%E5%90%88
は融合炉が球形ですが、核パルスエンジンは半球形のノズル内で融合させます。

-Ken-Ken- · Answer

アニメに出てきた用語をマジに考えたってしようがないですよ。
それらしい単語を並べているだけで、書いた当人だってなんかイメージがあって書いたのかどうか・・・・

インフレーション理論というのは、宇宙のできたばかりの頃の状態を説明する理論のことです。
不勉強でその内容は知りませんが、高いエネルギー状態の真空が、我々の言う真空に相転移して、その相転移の過程で宇宙が爆発的に急激に膨れ上がったとする理論です。
相転移というのは、物の状態が変わることを言います。例えば、水が氷になるのが相転移です。あるいは、固体の鉄がフェライトからオーステナイトに変わるのも相転移です(これは結晶の構造が変わる)。

ですから、その相転移エンジンとやらは、エンジンの内部で小さなインフレーション宇宙を作って、そのエネルギーを取り出している、というような話なのでしょう。
まあ、宇宙論自体がSFみたいなもんだ、というような印象を私はもっていますが・・・・
エネルギー状態の高い真空を「偽の真空」とも言うらしいですから、本物の宇宙論では、なんか未知のエネルギーを仮定しているんじゃないですかね。実は私も知りたいんです。

核パルスエンジンは、リアルな物です。
核爆弾(核分裂爆弾でも核融合爆弾でもよい)を爆発させて、その爆発力で推進するタイプのエンジンです。
何発も繰り返し爆発させるので、パルス、というのです。

架空の相転移エンジンと核パルスエンジンについて

SF設定は、できるだけ科学考証（物理学など科学では正しいとされること）を推し進め、それに関するSF考証（どこで嘘をつくかということ）をできるだけ少なく、小さくするのが腕の見せ所ですね。

この回答への補足

お礼、ありがとうございます。

お礼、ありがとうございます。

この回答への補足

お礼、ありがとうございます。

この回答への補足

お礼、ありがとうございます。

この回答への補足

-Ken-Ken-さんの回答へ追加です。

アニメに出てきた用語をマジに考えたってしようがないですよ。

この回答への補足

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　お礼、ありがとうございます。

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