世界で最も耐熱性の高い材料の新記録を樹立

Jul 22, 2023

Discovery が新しいタイプの熱シールドへの道を開く (画像: NASA)

研究者らは、炭化タンタルと炭化ハフニウムの材料が摂氏 4000 度近い灼熱の温度に耐えられることを発見しました。

– オマール・セディージョス・バラザ博士

特に、インペリアル・カレッジ・ロンドンのチームは、炭化ハフニウムの融点が材料としてこれまでに記録された中で最も高いことを発見した。 4000℃近くの温度に耐えられるということは、両方の材料が次世代の極超音速宇宙船の耐熱シールドなど、これまで以上に過酷な環境で使用される道を開く可能性がある。

炭化タンタル (TaC) と炭化ハフニウム (HfC) は耐火性セラミックスであり、非常に耐熱性が高いことを意味します。 極めて過酷な環境に耐えるその能力は、耐火物セラミックが高速車両の熱保護システムや原子炉の過熱環境における燃料被覆材として使用できることを意味します。 しかし、実験室で TaC と HfC の融点をテストして、それらが実際にどれだけ極端な環境で機能できるかを判断するための技術はまだありません。

Scientific Reports 誌に掲載されたこの研究の研究者らは、TaC と HfC の耐熱性をテストするためにレーザーを使用した新しい極端な加熱技術を開発しました。 彼らは、レーザー加熱技術を使用して、TaC と HfC が別々に、または両方の混合組成物として溶融する点を見つけました。

彼らは、混合化合物（Ta0.8Hf0.20C）が以前の研究と一致しており、3905℃で融解したが、2つの化合物自体が以前に記録された融点を超えていることを発見した。 化合物TaCは3768℃で融解し、HfCは3958℃で融解した。

研究者らは、今回の新たな発見は次世代の極超音速機への道を開く可能性があり、これは宇宙船がこれまで以上に高速になる可能性があることを意味すると述べている。

現在テキサス大学エルパソ校の准教授であるオマール・セディロス・バラザ博士は、インペリアルの材料学部で博士号を取得しながらこの研究を実施した。

セディロス・バラザ博士は、「マッハ5を超える極超音速で移動する際の摩擦により、非常に高い温度が発生します。 これまでのところ、TaC と HfC は極超音速航空機の潜在的な候補ではありませんでしたが、私たちの新しい発見は、それらがこれまで考えられていたよりもさらに高い熱、つまり人類に知られている他のどの化合物よりも耐えることができることを示しています。 これは、極超音速に達して宇宙に飛び出す前に、飛行機のように大気中を飛行できる新しいタイプの宇宙船に有用な材料となる可能性があることを意味する。 これらの材料により、宇宙船は大気圏への離脱と大気圏への再突入によって発生する極度の熱に耐えることができるようになるかもしれません。」

TaC と HfC の潜在的な用途の例としては、宇宙船のノーズキャップや、飛行中に最も大きな摩擦に耐える必要がある外部機器のエッジなどがあります。

現在、マッハ 5 の速度を超える車両は人を乗せることはできませんが、セディロス バラザ博士は、将来的には可能になるかもしれないと示唆しています。

セディロス・バラザ博士は次のように付け加えました。「私たちのテストは、これらの材料が将来の宇宙船のエンジニアリングにおいて真の可能性を示していることを示しています。 このような極端な温度に耐えることができるということは、極超音速宇宙船を伴うミッションがいつか有人ミッションになる可能性があることを意味します。 たとえば、ロンドンからシドニーまでの飛行時間はマッハ 5 で約 50 分かかる可能性があり、これにより世界中の国々に新たな商業機会が開かれる可能性があります。」