架空の相転移エンジンと核パルスエンジンについて

質問

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。

回答No.3

noname#175206 · ベストアンサー

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。

お礼

ＳＦ設定から私の知りたかった『相転移』や『核パルスエンジン』についてまでより掘り下げて頂き、感謝の念に絶えません。
本当にありがとうございました。

補足

これだけの解説を書いて頂いた上で大変申し訳ないのですが、相転移の部分で１つだけ疑問があります。
回答者様の言う『潜熱』についてです。
Wikiで『潜熱』について調べてみました。
回答者様がご存知の事を書くのは釈迦に説法ですが、以下が『潜熱』について書かれた内容です。
【潜熱（せんねつ、英語: latent heat）とは、物質の相が変化するときに必要とされる熱エネルギーの総量である。通常は融解に伴う融解熱と、蒸発に伴う蒸発熱（気化熱）の2つをいう。潜熱の概念は1750年にジョゼフ・ブラックが導入した。

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。

水分子が水面から大気中へと蒸発する場合(十分な量の液体の水があると考える)、水分子は相転移して気体となるが、この際吸熱が起こる。その結果水面に接する大気は周囲の大気よりも低温となって多くの水蒸気を含む。水を水蒸気に変化させるためにはエネルギーが必要であるため、液体の水はそこから蒸発する水蒸気によって熱エネルギーを奪われている、つまり熱を吸収しているのである。逆に水蒸気が水や氷に変化するときには、水蒸気が持っているエネルギーが顕熱として凝縮や凝固が起きる表面で放出される。】

また、相転移で検索したところ私と似た質問をしている人がいたのでそれの回答を読んでみました。
その中でベストアンサーに選ばれた人の文章を潜熱の部分だけ割愛して見ました。
【氷が溶けて水になる時、氷と周囲の気温との温度差が高い場合は、「熱エネルギーの準位差が高い」と言えます。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、全体として温度差が無くなりますから「準位差は低くなる」訳です。】

これからの内容を見ると、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。

以上なのですが、この事について回答者様はどう思われますか。

回答No.7

noname#175206

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。

お礼

とても残念ですが、回答者様の仰る事が正しいのでしょうね。
自分勝手で大変ご迷惑をかける内容を文章にして書いてしまい、大変申し訳ありません。
先ほどの補足にも書きましたが、今とてもパニック状態です。
なので、補足に対する回答を読んでからにします。

回答No.6

noname#175206

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。

お礼

回答を頂き、感謝しています。
私としては、回答を頂けるなら何時でも構いません。
ただ、私の物理音痴のため、回答を頂くのも今回で４回目になります。
そこで、まだ全てを理解できない私からある願望があります。
ここでのベストアンサーはもちろん回答者様です。
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。
勿論無理なら残念でありますが、諦めてここでの質問回答を引き続きお願い致します。
それでも宜しければ次回は私がお礼のところにメルアドを書きますので、そこに回答を送っては頂けませんか。
良い返事を期待しています。

補足

ちょっと頭がパニック状態です。
確認事項
・相転移するには１つの物質である
・相転移は水を例題に挙げる場合、氷→水→水蒸気→氷になる
・インフレーション空間で行う真空の相転移はその空間で半永久的に相転移が行われる。

例題が水以外にもあるといいのですが、逆に水にこだわるだけに理解に苦しみますね。
インフレーション空間の場合は最初に巨大な熱エネルギーを持つ物質が存在し、それが相転移し続ける訳ですから永久ではなく半永久にしました。

何かまとめてしまいましたが、違う部分があるとするならば訂正をお願いします。

回答No.5

noname#175206

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。

お礼

何度も補足に対して回答を頂き、とても感謝している次第です。
ただ、物理バカ？　科学バカ？　にとっては今回の回答は少し難解な印象を受けます。
そこでまた補足を書きますが、回答を頂けると大変助かります。

補足

今回は回答者様のコメントになぞって質問させて頂きます。

> 　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。

周囲＝客観的と解釈すればいいのでしょうか。
ここで１つはっきりさせたいのは、インフレーション空間において高温の熱エネルギーから低温の熱エネルギーに相転移させるという事は具体的にどういう事なのでしょうか。
水しか例えが浮かばなくて申し訳ないのですが、私は今まで氷→水→水蒸気という順番が相転移だと思っていましたが、その全く逆が相転移なのですね。

> 　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。

回答者様には大変申し訳ないのですが、物理音痴または科学音痴な私にとってここの文章は理解に苦しみます。
相転移に必要な物質は１つだという解釈をしていました。
例えば、#１様の回答だと水とか鉄とか。
鉄に関しては熱を与えることで相転移するものだと考えていますが。
ただ、この文章だと２つかそれ以上に受け取れます。
実際はどうなのでしょう。

> 　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。

ここの物質そのもの＝主観的、周囲＝客観的として解釈します。
まだ、主観的と客観的の違いがよく分からないのですが、吸熱と発熱に関しては私なりにある程度理解したつもりです。
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。

> 　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。

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。

> 　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。

この式(Ｔ１－Ｔ２) / Ｔ１の後に１００をかけなくていいのでしょうか。
これだとＴ２が０で無いときは、回答は小数点以下になりませんか。

１つ回答者様に図々しくもお願いがあります。
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。

回答No.4

noname#175206

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。

お礼

補足の部分は全く申し訳ありません。
気分を害されたなら深くお詫びします。
ただ、まだ少し疑問があるので補足に書かせて頂きます。
回答者様の暇なときで宜しいので見て頂けると大変有り難いです。

補足

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。
では、発熱に関しては熱を発する事になると思うのですが、気体が熱を失うと液体になり、そのまた固体になる。
本当にバカで申し訳ありません。
この際ですから気体→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を求めても宜しいですか。
次に、この架空の相転移エンジンの話になります。
一番最初の質問の際、アニメ宇宙戦艦ナデシコでは『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』とあります。
インフレーション理論については私なりある程度理解できたと思っています。
問題は相転移についてです。
この文章の中では、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いう部分です。
このエネルギーは吸熱から取り出すという事で正しいのでしょうか。
例えば、氷山が暖かい水面によって水になるときに熱エネルギーが高くなり、冷たい氷が水面に落ちて水面の温度が下がるときは熱エネルギーは低くなり、その差分の熱エネルギーを取り出す。
この理解の仕方で当たっているのでしょうか。
もし、これが間違っている場合、回答者様にはこの過程について何らかの例題を出してお答え頂きたいのですが、よろしいでしょうか。
この補足について付き合ってもらえるかどうかについては回答者様に一任します。
ちなみに、同じ質問をしていたサイトのURLを書いておきます。
http://detail.chiebukuro.yahoo.co.jp/qa/question_detail/q1217232547

回答No.2

TT414

-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。

お礼

詳細なアドバイスありがとうございます。
また、Wikiに関しても難しそうですが、頑張って読むつもりです。

回答No.1

noname#208392

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。

お礼

即回答ありがとうございます。
核パルスエンジンについては理解できました。
後は、相転移の部分について補足の部分に確認という形で書きましたので、暇なときにでも見て下さい。

補足

あくまで確認事項です。
相転移に関してですが、氷が水になるのが相転移だとすると水が水蒸気になるのも相転移でしょうか。
鉄の変化についても理解できると言えば理解できるのですが、それ以外で相転移の分かりやすい例などは無いでしょうか。
また、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いうのはどういう事でしょうか。
例えば、何かを例に挙げるならどういう事になるのでしょうか。
以上です。