ダイヤモンド融解実験で氷の巨星の秘密を解明

ローレンス・リバモア国立研究所の研究チームが、超高圧・超高温実験によってダイヤモンドの融点を正確に測定し、20年続いた科学的な謎を解き明かした。同時に、この研究成果は地上の核融合エネルギー開発にも予期しない応用の道を開くことになった。

ネプチューンやウラヌスといった氷巨星の内部では、極限の圧力と温度によってダイヤモンドが液体になり、惑星内部に「降る」という現象が理論的に予測されてきた。しかし、ダイヤモンドの融点については、実験測定値と量子力学に基づくコンピュータシミュレーション値の間に、最大で1000ケルビン以上もの開きが存在していた。研究チームはロチェスター大学のオメガレーザー施設を使用し、ダイヤモンドサンプルに超強力なレーザーを照射し、極めて短時間の間に地球の中心を超える圧力と太陽表面と同等の温度を発生させた。これにより、初めて測定値とシミュレーション値が一致するデータを得ることができたのだ。

最も注目すべき発見は、固体のダイヤモンドが液体の金属炭素よりも密度が低いという事実である。これは、氷が水に浮くように、ダイヤモンドが液体炭素の上に浮き上がるという可能性を意味している。つまり、氷巨星の内部では本当にダイヤモンドが「降る」のではなく、むしろ浮き上がって対流する可能性があると考えられる。このプロセスで発生する摩擦と熱は、ネプチューンが宇宙空間に放射しているエネルギーの主要な源の一つであると考えられており、今回の実験は初めてその正確な圧力・温度条件を実測で示したものになった。

一方、この研究は遠く離れた宇宙現象の理解にとどまらない。研究チームはアメリカの国立点火施設で核融合エネルギー研究を推進しており、今回のダイヤモンド融解実験から重要な知見を得た。従来の核融合実験では、ダイヤモンドカプセルに強力なショック波を与える必要があると考えられていたが、今回の測定により、より弱い初期ショック波でも完全に融解させることが可能であることが判明した。研究チームの計算によれば、この方法により核融合反応から得られるエネルギーを3倍に増加させることができる可能性があるという。

日本の精密加工企業や素材メーカーにとって、この研究は複数の関連性を持つ。第一に、核融合研究における精密性の要求はさらに高まると考えられ、超高精度なダイヤモンドカプセルや関連装置の開発が求められる可能性がある。第二に、極限環境での測定技術の進展は、宇宙探査機器や地上の高度な分析装置の開発にも波及する可能性がある。今回の実験で活用されたX線回折などの計測技術も、産業応用の対象となり得るのだ。

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