大陸横断の旅に出る前に、ジェット機は数万ガロンもの燃料を補給する。衝突事故の際には、これほど大量の燃料があると、衝突時の爆発の激しさが増す。カリフォルニア工科大学（Caltech）とジェット推進研究所（JPL）の研究者は、事故やテロ行為の際に発生する衝突後の爆発の威力を弱めることができる高分子燃料添加剤を発見した。さらに予備的な結果から、この添加剤は燃料の性能に悪影響を与えることなく、この効果をもたらせることが示されている。
この研究は10月2日号の学術誌 Scienceに掲載されました。
ジェットエンジンは空気を圧縮し、それを微細な噴霧状のジェット燃料と混合する。その混合気に電気火花で点火すると制御された爆発が起こり、機体を前方へ押し出す。ジェット機は、こうした数千回もの小さな爆発によって推進している。しかし、点火のために燃料を噴霧状に分散させる工程、すなわちミスト化（misting）は、衝突時に燃料が急速に拡散し、容易に引火する原因にもなる。
この添加剤は、 Julia Kornfield （BS ’83、化学工学教授）の研究室で開発されたもので、多数の繰り返し単位からなる長い分子である高分子の一種であり、両端を面ファスナーのように働く単位で覆われている。個々の高分子は自発的に連結し、「メガ超分子」と呼ばれる超長鎖を形成する。
Kornfieldによると、メガ超分子は、燃料のミスト化を制御し、パイプラインでの燃料の流れを改善し、すすの生成を抑えるという、前例のない特性の組み合わせを備えている。メガ超分子は、衝突条件下ではミスト化を抑制し、エンジンでの燃料噴射時にはミスト化を許容する。
他のポリマーもこうした効果を示してきたが、有用性を制限する欠点がある。例えば、超長鎖ポリマーは、ポンプ、パイプライン、フィルターを通過する際に不可逆的に切断されやすい。その結果、有用な特性を失ってしまう。しかし、メガ超分子ではこの問題は生じない。超分子もポンプを通過する際に小さな部分へと分離するが、その過程は可逆的である。個々の鎖の末端にある面ファスナーのような単位は、出会うと単純に再結合し、メガ超分子を効果的に「修復」する。
燃料に添加すると、メガ超分子は、ポリマー濃度が液体の他の特性に影響を与えないほど低い場合でも、流動挙動に劇的な影響を及ぼす。例えば、この添加剤は燃料のエネルギー量、表面張力、密度を変えない。さらに、この添加剤を含む燃料を使用するエンジンの出力と効率は変わらない。少なくとも、これまでに試験されたディーゼルエンジンではそうであった。
衝突が起きると、超分子は活動を始める。超分子は、ほとんどの時間をコンパクトな立体構造に丸まって過ごしている。しかし、流体が急激に伸長すると、高分子は引き伸ばされ、さらなる伸長に抵抗する。この伸長により、衝突条件下で液滴の分裂を抑制して爆発の規模を縮小するとともに、パイプラインでの乱流を低減することが可能になる。
「メガ超分子の着想は超長鎖ポリマーから生まれた」と、研究員であり共同筆頭著者でもあるMing-Hsin “Jeremy” Wei（PhD ’14）は述べる。「1970年代後半から1980年代初頭にかけて、高分子科学者たちは、航空機の衝突後の爆発を弱めるために、燃料に超長鎖ポリマーを添加することに大きな期待を寄せていました。」この概念は、1984年に実施された航空機の実物大衝突試験で検証された。機体は一時的に火球に包まれ、否定的な見出しを生み、超長鎖ポリマーは急速に支持を失った、とWeiは言う。
2002年、JPLのVirendra Sarohia（PhD ’75）は、9-11のような攻撃の再発を防ぐことを期待して、ミスト制御の研究を再開させようとした。「彼は私に連絡をしてきて、ジェット燃料のミスト制御のための新しい高分子を設計するよう説得したのです」と、新論文の責任著者であるKornfieldは述べる。最初の飛躍的な進展は2006年に訪れた。当時、彼女の研究室の大学院生であったAmeri David（PhD ’08）が、メガ超分子を理論的に予測したのだ。彼は、以前の問題を解消するのに十分に小さく、かつ低濃度でも動的に会合してメガ超分子を形成する個々の鎖を設計した。彼は、これらの集合体が超長鎖ポリマーの利点を備えつつ、ポンプやフィルターを損傷なく通過できるという新たな特徴を持つ可能性があることを示唆した。
Weiは2007年にプロジェクトに参加すると、これらの理論上の分子を作り出すことに着手した。両端に十分に強力な「分子の面ファスナー」を備えた、目的の長さの高分子を製造することは困難であることが分かった。 Robert Grubbs（Victor and Elizabeth Atkins化学教授、2005年ノーベル化学賞受賞者）の開発した触媒の助けを借りて、Weiは面ファスナーの構造を精密に制御し、それを高分子鎖の適切な位置に配置する方法を開発した。
科学と工学の統合が成功の鍵だった。現在JPLに所属する工業化学者のSimon Jonesは、Weiが面ファスナーのような末端基を持つ、より長い鎖を製造する実用的な方法を開発するのを助けた。共同筆頭著者でありCaltechの大学院生であるBoyu Liは、Weiがこれらの新しい高分子の驚くべき挙動の背後にある物理学を探究するのを助けた。ミシガン州ウォーレンにある米陸軍戦車自動車研究開発工学センター（TARDEC）の科学者であるJoel Schmitigalは、この高分子を新しい燃料添加剤として承認されるための道筋に乗せる重要な試験を実施した。
「将来を見据えると、この添加剤を数千ガロンのジェット燃料、ディーゼル燃料、または油に使いたいなら、大量生産するための工程が必要です」とWeiは述べる。「そのため、私の目標は、高分子を継続的に生産する反応器を開発することです。そして、それを1年足らずで実現するつもりです。」
「何よりも」とKornfieldは述べる。「これらの新しい高分子が、衝突後の燃料火災による命を奪い、火傷を最小限に抑えることに役立つことを期待しています。」
この記事は Caltechとの協力により掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムによる見解への支持を意味するものではありません。
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執筆者：Jessica Stoller-Conradは、食品、健康、科学分野の報道を専門とするライターである。
画像：ドイツのフランクフルト空港に駐機する新型のAirbus A 380超大型ジェット旅客機。REUTERS/Kai Pfaffenbach。
