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チョコレートをなめらかにし、ドレッシングを分離させないために入っている乳化剤、レシチン。食品の原材料表示でよく見るこの成分で、ロケット燃料のケロシンをゲルに固めた研究が出た。止まっているあいだはぷるんとした固体のようにふるまい、押し出すときだけ液体のように流れる。カナダのコンコルディア大学の Pranay Mudaliar さんと Jerin John さんが、7月29日に学術誌 Langmuir に発表した。
固体燃料と液体燃料、それぞれの弱み
ロケットの燃料には、大きく分けて固体と液体がある。固体燃料は保管しやすく、すぐに点火できるが、一度火がつくと燃え尽きるまで止められない。液体燃料は出力を絞ったり、止めてからもう一度点火したりできる。そのかわり、タンクの中で揺れる。無重力に近い宇宙空間では、燃料が揺れて泡や気体のかたまりができると、燃料を送り出すポンプを傷めるおそれがある。長い時間がたつと、漏れたり蒸発したりもする。何年もかけて太陽系を旅する探査機には、ここが悩みどころになる。
その中間をねらうのが「ゲル燃料」だ。タンクの中では固体のようにじっとしていて、エンジンに送るときだけ液体のように流れてくれれば、両方のよいところが取れる。考え方としては昔からあるが、時間がたつと成分が分離する、固める材料が燃えずに重りになる、ポンプで押し出しにくい、といった課題が残っていた。
レシチンと少しの塩で、ケロシンを包む網を作る
二人が固める材料に選んだのがレシチンだ。大豆や卵黄などからとれる天然の成分で、炭素と水素を多く含むので、ケロシンと一緒に燃える。燃料の中に燃えない増粘剤を入れると、それはただの荷物になるが、レシチンならそうはならない。
ケロシンにレシチンを溶かし、そこに塩化カルシウムをごく少量加える。するとレシチンの分子が自分たちで集まって、ひものように長く伸びた集合体（ミセル）を作る。このひもが絡み合って目に見えない網になり、そのすき間にケロシンを閉じ込める。できたゲルは透明で、全体が燃える。レシチンの量を増やすほど網が密になり、とろりとした液体に近いものから、固体に近いものまで作り分けられた。
網が密なほど、ゲルを流し始めるのに要る力も大きくなる。測ってみると、流れ始めるのに必要な応力は14〜40パスカルだった。それより弱い力しかかからない静かなタンクの中では、ゲルはほとんど流れない。わずかに変形させる程度なら、ゲルはばねのように弾んで元に戻る性質が強く、長く保管しても漏れにくく、揺れにくいと論文は書いている。実際に、密閉した容器に入れた試料は1年以上たっても、見た目にわかる分離が起きなかった。
押した瞬間だけ、網がほどけて液体になる
このゲルは、力をかけて速く流そうとするほど、さらさらになる。ずり速度（ゲルをこすり合わせるように動かす速さ）を1秒あたり1から100に上げると、粘り気はおよそ100分の1まで下がった。ひもの網が力でほどけて、ばらばらのまま流れていくからだ。ポンプで燃料を押し出す配管や、細い噴射口を通るときの状態にあたる。粘り気がそこまで下がれば、噴射口から霧にして吹き出し、燃やすことができる。
力のほかにも、ゲルを液体にするきっかけが2つある。1つは熱で、レシチンの濃さに応じて59〜68°Cのあたりで、ばねのような性質より液体のような性質が勝つようになり、ゲルが溶ける。もう1つはエタノールで、少し加えるだけでミセルの網がほぼすぐにほどけ、液体に戻る。紹介記事を書いた Universe Today は、これを使えば燃料の一部だけを狙って液体にできる、と見ている。
つまり、燃料が止まっているあいだは固めておき、使う分だけを力や熱や薬品でほどいて流す、という使い分けができる。固体燃料と液体燃料のどちらか一方を選ぶのではなく、同じ燃料の中で状態を切り替える発想だ。しかも、その切り替えを担っているのは台所でもおなじみの乳化剤である。
透明であることも研究には役に立つ。燃料が流れたり霧になったりする様子を、高速カメラやレーザーで中まで見ながら調べられる。
実際のエンジンで試すのはこれから
今回わかったのは、実験室での流れ方と熱への反応までだ。このゲルを、実際のロケットエンジンの高圧の噴射器に通して燃やす試験は、まだ行われていない。打ち上げのときの激しい振動や温度の急な変化に耐えられるかも、確かめられていない。大学も、宇宙飛行で使えるかどうかを判断するには実際の推進装置での試験が必要だとしている。
それでも、長いあいだタンクに入れておく探査機や人工衛星の燃料にとって、「保管中は揺れず漏れず、使うときは流れる」という性質は、ずっと求められてきたものだ。研究は、カナダの自然科学・工学研究会議（NSERC）の資金を受けて行われた。
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