ジェットエンジンの燃える心臓部が溶けずに機能する仕組み

夏はすぐそこまで来ていますが、暑さはすでに始まっています。容赦ない日差しから焼けるようなグリルまで、暑さを感じること（そして涼むこと）は今や日常の一部です。PopSciは、最新の科学、ギア、賢い DIY のアイデアで、最も焼けつくような季節を快適に過ごすお手伝いをします。Hot Month へようこそ。

夕食を調理するとき、キッチンのオーブンは簡単に華氏 400 度程度まで熱くなりますが、世の中にはそれよりはるかに高温になる場所がたくさんあります。あまり意識しないかもしれませんが、古い電球のフィラメント、ジェット エンジンの内部、宇宙船の耐熱シールドなどは、すべてはるかに高温になります。これらの環境では、その極度の高温に耐えられる特別な素材が必要です。

これらは、溶けたり、燃えたり、崩壊したり、炎上したりすることなく、それらの場所を機能させる物質です。

陶芸は今とても人気があります

材料科学者は、物質をセラミック、金属、ポリマー（別名プラスチック）の 3 つのカテゴリに分類すると考えています。セラミックは耐熱性が最も高く、ポリマーは最も低いですが、エンジニアは、作業に適した材料を選択する際に、電気伝導性や重量などの他の特性も考慮する必要があります。

しかし、世界で最も暑い場所に関しては、セラミック素材が常に最適な選択肢となります。

「セラミックは融点が最も高い」とノースウェスタン大学の材料科学および工学教授、デイビッド・デュナンド氏は言う。セラミックは瞬間的に高温に耐えられるだけでなく、他の素材ほど急速に劣化することなく、長期的な熱にも耐えられる。

陶器の例としては、ガラス、レンガ、陶器などの一般的な品物があります。キッチンには、鋭いけれども脆い陶器のナイフもあるかもしれません。

耐久性の鍵は、材料が原子レベルで持つ結合にあります。共有結合なので非常に耐久性があります。（高校の化学を覚えていますか？ すみません。）「熱振動では原子間の結合は壊れません」とデュナンドは説明します。

セラミック素材は、鉄鋼を製造する高炉のような場所に最適です。これらの素材は、長時間にわたって華氏 3,000 度を超える高温に耐える必要があります。「高炉は決して止めることはできません」とデュナンド氏は言います。「一度稼働させたら、365 日間稼働させなければなりません。さもないと、炉が詰まってしまいます。」

セラミックス分野には明確なリーダーがいる。「最も高温の状況では、実際にカーボンを使用します」とデュナンドは指摘する。「カーボンは高温での究極のセラミックです。」たとえば、飛行機のブレーキや宇宙船の耐熱シールドでは、この材料がさまざまな形で使用されている可能性があります。

炭素は、NASA のパーカー太陽探査機を太陽から守る熱シールドで重要な役割を果たしている。NASA によると、この熱シールドは華氏 3,000 度の温度にも耐えられるが、実際には華氏 2,500 度程度までしか耐えられないという。

ノースウェスタン大学の材料科学および工学の非常勤教授であるイアン・マッキュー氏によると、カーボンカーボンと呼ばれる素材について聞いたことがあるかもしれませんが、これは通常、炭素繊維と別の形態の元素、通常はグラファイトの混合物です。パーカー・ソーラー・プローブのシールドの2つの層はカーボンカーボンでできています。「これは、あらゆる高温航空機に選ばれる素材です」とマッキュー氏は言います。「国防省もNASAも使用しています。」

ジェットエンジンの内部には火がある

セラミックの次に重要なのが金属で、その中でもニッケルベースの超合金という特別なクラスが非常に重要です。（合金とは金属の組み合わせです。）この材料は、タービンブレードが「燃焼している燃料と直接接触する」ジェットエンジンの高温の内部で重要な役割を果たしているとデュナンドは言います。

この金属混合物は耐熱性に優れているだけでなく、「延性があり、丈夫でもある」と彼は指摘する。つまり、運の悪い鳥が吸い込まれても、物が割れることはないということだ。

エンジニアたちは、機内を高温にしたいと考えている。「将来的には、エンジンの動作温度を上げたいと考える人もいるでしょう。ジェット燃料は実際にはもっと高温で燃焼する可能性があるのです」と彼は指摘する。「燃料を高温で燃焼させるほど、その燃料から抽出できるエネルギーは増えます。」

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これらの金属は、一般的に華氏約2,190度以下の温度に耐えられるとデュナンドは言う。合金は、ますます高温になる温度に耐えられるように、何十年にもわたって「微調整」されてきたとデュナンドは言う。一般的に、合金は融点の約80パーセントの温度まで問題なく作動できる。

巨大な現代のジェットエンジンの一つにGE9Xがあり、その高温の内部には金属とセラミックの両方が使用されています。

もう一つのジェットエンジンのような機械、つまり天然ガスを燃焼させる発電機も、ニッケルベースの超合金を利用しています。

「考えてみれば、ニッケルベースの超合金は私たちの電気や飛行機の中心であり、私たちが知っている現代の生活は、それなしでは非常に困難になるでしょう」と彼は言う。

もう一つの特別な金属、タングステンも注目に値します。タングステンは同じクラスの物質の中で最も融点が高い金属です。タングステンが融ける温度はなんと華氏6,192度で、白熱電球の制御された環境のフィラメントに最適です。

最後に、ポリエチレンなどのポリマー、つまりプラスチックは、耐熱性があまり高くありません。たとえば、簡単に溶けてしまう熱可塑性ボトルを考えてみてください。しかし、それでも耐えられるものもあります。ケブラーは、熱硬化性樹脂と呼ばれるポリマーのカテゴリに属する​​合成素材です。防弾チョッキや防弾スーツなどの衣類に使用されているケブラーは、非常に強度があります。「強度は融点と相関関係があります」とデュナンドは言います。「高融点ポリマーなので、高温でも使用できます。」