ロケットが離陸する瞬間、人々はたいてい燃料を思い浮かべる。ケロシン、メタン、水素。しかし、その巨大なタンクの中で実際に体積の大部分を占めているのは燃料ではない。スペースXのスターシップ1機にはメタンが約1,278トン積まれるのに対し、液体酸素はそれよりはるかに多い約4,500トンも入る。重量で言えば、ロケットの胴体は燃料タンクというよりは酸素タンクに近い。
奇妙なことだ。酸素は私たちが呼吸するたびに吸い込んでいる気体であり、地球の大気の5分の1を占めている。希少でも高価でもないように見える。しかし、なぜロケット打ち上げが遅延する原因を追跡すると、燃料ではなく、このありふれた気体の供給問題に突き当たることが多いのだろうか。
大気中のどこにでもあるが、どこでも手に入るわけではない
答えは酸素そのものではなく、酸素を凍らせて純粋に抽出するプロセスにある。空気は窒素78%、酸素21%、残りはアルゴンをはじめとする微量気体からなる混合物だ。ロケットエンジンが求めているのは、このうち純度99%以上の酸素のみであり、それも気体ではなく体積を600分の1に縮小した液体状態だ。問題は、窒素と酸素の沸点が摂氏マイナス196度とマイナス183度で、わずか13度しか差がないことにある。
このわずかな隙間を突き、2つの気体を分離する技術を初めて完成させたのは、ドイツのエンジニア、カール・フォン・リンデだった。1895年5月、リンデはミュンヘンの実験室で、ジュール＝トムソン効果と逆流熱交換の原理を利用した初の連続式空気液化プロセスを発明した。当初は窒素と酸素が混ざった「リンデ空気」しか得られなかった。純粋な酸素と窒素を別々に抽出するには精留（rectification）段階が必要で、液体空気がゆっくりと流れ落ちる管の中で、分離された酸素蒸気が徐々に上へと昇っていくようにすることでこの問題を解決した。1903年にはミュンヘン近郊のヘーリゲルスクロイートで最初の酸素生産プラントが稼働を開始し、1910年には酸素と窒素を同時に生産する複式カラム工程が完成した。
このプロセスは、蒸留所で焼酎やウイスキーを作る原理と全く同じ構造を持っている。発酵液を沸騰させるとアルコールが水よりも先に蒸発するように、圧縮された空気を徐々に温めると、沸点の低い窒素が酸素よりも先に気体として抜け出す。蒸留器の蒸留塔の中で液体が下へ流れ、蒸気が上へ昇りながら何度も出会うように、空気分離装置の精留塔の中でも液体空気と気体が絶えずすれ違いながら少しずつ純度を高めていく。違う点は、蒸留所が室温でアルコールと水を分離するのに対し、この設備はマイナス190度付近で窒素と酸素を分離するということだけだ。温度は違っても、混ざり合ったものを沸点の差で一重ずつ剥がしていく論理は同じである。
こうして作られた液体酸素は、体積1リットルあたり約1.14キログラム、気体状態より861倍圧縮された状態だ。ロケットが液体状態の酸素にこだわる理由はここにある。同じタンクに気体酸素を充填しようとすれば、体積が手に負えないほど大きくなってしまうからだ。
ロケットは「燃料を燃やす機械」ではなく「酸素を消費する機械」だ
ここでロケット推進に関する誤解が一つ解ける。人々はロケットが燃料を燃やして飛ぶと考えているが、正確には燃料と酸化剤を一緒に燃やして飛ぶのだ。地上の自動車エンジンは、大気中の酸素をその都度吸い込みながら燃料だけを積めばよいが、真空に近い高高度や宇宙には燃やすための酸素がない。だからロケットは酸素まで丸ごと背負って上昇しなければならない。
スペースXのラプターエンジンは、液体酸素とメタンを3.6対1の質量比で燃やすように設計されている。酸素がメタンより3.6倍多く必要だという意味だ。エンジン1基が秒間消費する推進剤約650キログラムのうち、酸素が510キログラム、メタンは140キログラムに過ぎない。スターシップの1段目（スーパーヘビー）には、このようなラプターエンジンが33基搭載されている。発射の瞬間、このロケットは数分間で、並の都市の1日分の酸素供給量に匹敵する量を燃やし尽くす。
この事実は、ロケット産業を見る枠組みそのものを変える。燃料技術の競争と言われるこの産業の半分は、実は酸素をどれだけ早く凍らせて、どれだけ安定的に供給できるかという競争なのだ。
純粋な酸素は温和ではない
液体酸素を扱うことが難しい2つ目の理由は、化学的性質にある。酸素はそれ自体では爆発しない。しかし、他のものを激しく燃やす力、すなわち酸化力が圧倒的に強い。普段なら火がつかない金属部品や油汚れでさえ、純粋な酸素環境では自然発火する可能性がある。不燃性として知られる材質も純粋な酸素にさらされると発火しうるという事実は、この気体を扱う現場の第一のルールである。
ここに温度の問題が重なる。液体酸素の沸点はマイナス182.9度であり、この温度を超えた瞬間、密閉された容器や配管内の圧力が危険なレベルまで跳ね上がる可能性がある。そのため、液体酸素を入れるすべての設備は単純な貯蔵容器ではなく、絶えず漏れ出そうとする熱を防ぐ魔法瓶に近い設計になっている。少しでも断熱が破れれば液体は気体へと膨張して圧力を生み出し、その圧力が安全限界を超えれば事故につながる。
ボトルネックはロケットではなくトラックの行列にある
これらすべての制約が合わさると、意外な結果が導き出される。メタン、すなわち天然ガスは、世界中にパイプラインでつながった巨大な産業がすでに存在する。しかし、純粋な酸素を必要とする産業ははるかに小さく、発射場が要求するグレードの液体酸素を供給する体系は、その中でもごく一部に過ぎない。液体酸素を作る冷却工程自体が遅くエネルギー集約的であるため、メタンとは異なり現場ではなく別の専門プラントで作られる必要があり、その結果、液体酸素の大部分はパイプラインではなく断熱トラックに積まれて道路を運送される。
数字で見ると、この不均衡はより鮮明になる。米国の一般的なタンクローリー1台が積載できる液体酸素は約18.1トンだ。スターシップ1回の打ち上げに必要な液体酸素4,500トンを充填するには、約250台のトラックが発射場まで列をなして入ってこなければならない。ロケット1機を打ち上げるために、都市1つを行き交う物流車両の行列に匹敵する規模の運送が先に完了しなければならないわけだ。
発射頻度が今のように数週間に1回であれば、この程度の物流は対応可能だ。しかし、スペースXが目標に掲げる「1日に複数回の発射」という体制に移行すれば話は別だ。トラック250台が数日かけて到着する方式では対応できない。結局、発射場のすぐ隣に空気分離装置を新しく建設する方向に進まざるを得ないということだ。ロケットの再使用性が打ち上げコストを下げたとしても、実際に打ち上げ回数を決定するのはロケットではなく、その横に酸素をどれだけ早く凍らせて抽出できる設備があるかどうかになる。
宇宙進出の速度は化学ではなく物流が決める
ロケット工学の歴史は、たいてい推力や比推力、エンジンサイクルの発展として記述される。しかし、その物語の半分は、130年前のミュンヘンのある実験室で始まった、はるかに地味な技術のおかげである。空気を凍らせて13度の沸点差で2つの気体を分けるその方式は、今も発射場横の冷却設備の中で同じように繰り返されている。
宇宙へ行く道の次のボトルネックは、より強力なエンジンではなく、空気をより早く凍らせる能力かもしれない。 ロケットがどれだけ頻繁に飛び立てるかは、結局その横にどれだけ大きな冷却設備が立っているかにかかっている。
参考文献
- SpaceX Raptorエンジンの仕様、Wikipedia
- SpaceX Starship、Wikipedia
- Falcon 9 Block 5、Wikipedia
- Linde Engineering、「空気分離プラント：歴史と技術的進歩」
- Science History Institute、「カール・フォン・リンデ」
- ブリタニカ国際大百科事典、「カール・フォン・リンデ」
- The Chemical Engineer、「カール・フォン・リンデとウィリアム・ハンプソン – クールな発明」
- Cold Facts Digital、「空気分離と液化」
- Cargo Handbook、「酸素」
- planetearthandbeyond.co、「スターシップが抱える巨大な燃料供給のジレンマ」
- Mobius Market Research、「スターシップの燃料供給」
- briantimar.com、「迅速な打ち上げサイト」