【新エネルギー応用】燃料不要の宇宙船に利用可能な「光動力」グラフェン材料

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中青オンライン天津6月19日電（中国青年報・中青オンライン記者　張国、通信員　呉軍輝）南開大学の研究チームは3年間の研究を経て、太陽光を含むさまざまな光源の照射によって飛行を可能にする特殊なグラフェン材料を開発した。この材料が生み出す推進力は、従来の光圧の1000倍以上にも達する。この研究成果により、「光動」飛行が可能になった。 現在、ほぼすべての航空・宇宙飛行は化学推進を用いており、つまり燃焼する化学物質を噴射することで推進力を得ている。光による直接的な飛行推進は、科学界や航空界における長年の夢である。動力源の問題は、人類がさらに先へ進むことを常に妨げてきた。 6月15日、学術雑誌『ネイチャー・フォトニクス』（Nature Photonics）に、南開大学化学学院の陳永勝教授と物理学院の田建国教授が率いる共同研究チームの論文がオンラインで掲載されました。 これまでの多くの研究において、科学者たちは「光圧」を利用して動力を得ようと試みてきました。“「光圧」とは、物体に当たる光が生み出す圧力のことです。光子は質量と速度の両方を持ち、運動量の大きな光子が物体に当たることで生じる光圧によって物体は動く。しかし、光圧による駆動力はごくわずかで、航空や宇宙分野の負荷要件を満たすには程遠い。陳永勝教授のチームが開発したこのグラフェン材料は、そのマクロな材料の特異な形状構造と、グラフェン自体の特異な電子構造が相まって、太陽光を含むさまざまな光源の照射下で効果的に飛行を駆動することができる。 南開大学にある機能性高分子材料教育部重点実験室では、研究者たちが重さ4ミリグラムで「スポンジ」のような形状をした円盤状の三次元グラフェン材料を真空チューブの中に置きました。異なる光源の「推力」により、「スポンジ」は瞬時に水平または垂直方向に移動し、最大で40センチメートル移動することがある。 研究者によると、実験で使用された光源はすべて弱いもので、通常のレーザーやキセノンランプなどがある。実験により、光源の波長はグラフェン材料が生み出す駆動力と反比例することがわかった。つまり、波長が短いほど、材料が生み出す駆動力は大きくなる。屋外実験を通じて、研究者たちは太陽光も同様にこのグラフェン材料の動きを駆動できることを発見した。 “これは私たちが知る限り、これまでの科学界において初めて、光を使って巨視的な物体を駆動し、巨視的な運動を実現した例です。”陳永勝教授によると、定量的な測定により、このグラフェン材料が光の照射下で生み出す力は、従来の光圧の1000倍以上にもなるという。“計算によると、500キログラムの負荷に対し、このグラフェン材料を用いて作製された駆動帆板を使用すれば、理論上は少なくとも0.09メートル毎秒の加速度を得ることができる。” この光が直接飛行を駆動する様子を観察したほか、研究チームは多数の実験を通じて新たな駆動メカニズムを提唱した。すなわち、この材料は光の作用により大量の電子を放出することで相応の駆動力を得るのであり、この特別な駆動は電子噴射によってもたらされるもので、従来の化学ロケットとは全く異なる。現在、陳永勝教授のチームは、このメカニズムについてさらなる研究と検証を行っている。したがって、この材料は便利な電子放出源としても利用できる。この研究では、同様にディラック帯を持つ他の構造の材料も、適切な組み合わせによって同様の性質や性能を得る可能性があると考えられている。 最新号のイギリスの有名な科学雑誌『ニューサイエンティスト』は、この成果に関する解説記事を掲載し、この成果が「この優れた素材であるグラフェンに、さらに驚くべき特性をもたらした」と指摘している。”