ライトセーバーを動かすにはどんな種類の電池が必要ですか?

スター・ウォーズと聞いて、最初に思い浮かぶイメージは何でしょうか？ライトセーバーですよね？誰もがライトセーバーが大好きです。素敵なレプリカも買えますし、ライトセーバーの訓練教室もあります。でも、実際に使えるライトセーバーはどうでしょうか？本物のライトセーバーを作るにはどうすればいいのでしょうか？

今日はライトセーバーを動かすのに必要な電力について考えてみましょう。どれくらいの電力が必要で、どのような電池が必要でしょうか？（物体を切り裂くような有限の形状の光線をどうやって作るかという問題は…まあ、今は置いておきます。）

この推定のために、 『スター・ウォーズ エピソード1/ファントム・メナス』を例に挙げます。冒頭のシーンで、クワイ＝ガン・ジン（リーアム・ニーソン）がライトセーバーを使って通商連合の宇宙船の厚い金属製の扉を切り裂きます。考慮すべき物理的な要素がたくさんあるので、早速始めましょう。

電力とエネルギー

エピソード4でダース・ベイダーが「惑星を破壊する力など、フォースの力に比べれば取るに足らない」と言ったのを覚えていますか？彼は物理的な力ではなく、軍事力について話していました。言葉は曖昧です。フォースと物理学における力は同じではないのと同じです。しかし物理学者にとって、パワーには明確な意味があります。それはエネルギーの使用率、あるいは伝達率です。

これは、有限の時間間隔（Δt）に対するエネルギーの変化（ΔE）として表すことができます。エネルギーをジュール、時間を秒で測定する場合、電力はワット単位になります。

床から教科書を拾い上げて、テーブルの高さまで持ち上げるとします。重力に逆らって作業するため、約10ジュールのエネルギーが必要です。速く持ち上げても遅く持ち上げても、必要なエネルギー量は同じですが、力は異なります。教科書を持ち上げるのに10秒かかった場合、必要な力は1ワットです。1秒で持ち上げる場合は、10ワットになります。同じエネルギーでも、必要な力は異なります。そうですよね？

この定義は、ライトセーバーの威力を推定する戦略を与えてくれます。測定可能な時間間隔におけるエネルギーの変化を推定できる何らかの事象を観察するだけで済みます。まさにこれが、クワイ＝ガンがライトセーバーをあの金属製の扉に突き刺した時に見られる現象です。

熱エネルギーと位相変化

カップのコーヒーの温度を上げるにはエネルギーが必要です。この場合、これを熱エネルギーと呼びます。コーヒーなどの物体の熱エネルギーの変化は、物体の質量（m）、温度変化（ΔT）、そして物質の「比熱容量」（c）に依存します。

これがどのように機能するかを簡単に確認してみましょう。300グラムのコーヒー（基本的には水です）を25℃から100℃に上げるとします。これには94,000ジュールのエネルギーが必要です。これは教科書を9,400回持ち上げるのに必要なエネルギーと同じです。カウンターの上にあるコーヒーを堪能しているでしょうか？

でもちょっと待ってください！金属製のドアを溶かすと、単に温度が上がるだけでなく、物質の相が固体から液体へと変化します。これが溶解の仕組みです。相変化に必要なエネルギー量は、物体の質量（m）と、融解潜熱（l _f）と呼ばれる特性に依存します。

氷を溶かすには、¹キログラムあたり3.34×10ジュールのエネルギーが必要です。つまり、質量50グラムの氷1個を溶かすには、16,700ジュールのエネルギーが必要です。物を溶かすには膨大なエネルギーが必要であることは、すでにお分かりでしょう。金属製のドアを溶かすには、2つのことが必要です。まず、温度を融点まで上げ、次に実際に液体にすることです。必要なエネルギーの総量は、金属の質量と種類によって異なります。

電力の推定

さて、いくつか推測してみましょう。一番の問題は、宇宙船のドアは何でできているのかということです。もし私がバトル・ドロイドを運ぶ巨大な宇宙船を作るとしたら、重さと強度のバランスが良いアルミニウムを選ぶと思います。

幸いなことに、私たちはアルミニウムについてよく知っています。密度は2,700キログラム/立方メートル、融点は660℃です。比熱は900ジュール/キログラム/℃、融解潜熱は3.96 x 10 ⁵ジュール/キログラムです。（数字が長すぎるのは分かっていますが、心配しないでください。これからコンピューターに入力していきます。）

溶けた金属の質量はどれくらいですか？難しい質問ですね。クワイ＝ガンの最初の切り込みでは、約2メートルの長さの経路を切ったように見えます。この経路の幅は正確には分かりませんが、1センチメートルくらいでしょう。最後に、ドアの厚さはおそらく5センチメートルで、彼は一回で全体を切り抜いています。これらの推定から、溶けた金属の総質量は2.7キログラムになります。

これで、この量のアルミニウムを溶かすのに必要なエネルギーを計算できます。これは、金属の温度を融点まで上げてから溶かすのに必要なエネルギーです。（別の金属で計算してみたい場合は、私のPythonコードに数値を入力してください。）私の計算では、必要なエネルギーは260万ジュールです。金属を溶かすのは簡単なことではありません。

さて、パワーについては、この金属を溶かすのにどれくらいの時間がかかるかを計算する必要があります。トラッカービデオ解析を使うと、切断時間は11.5秒と算出されました。出力は2.28 x 10 ⁵ワットです。そう、これがフォースの実際の物理的なパワーです。305馬力に相当するので、まるでハイパワーカーを手に持っているようなものです。

ライトセーバーのバッテリー

もしかしたらライトセーバーには電池がないのかもしれません。もしかしたら、異次元か何かからエネルギーを引き出しているだけかもしれません。ライトセーバーは実在しないので（それも構いませんが）、誰にも分かりません。でも、もし電池があったら、どんな形になるのでしょうか？どんな種類の電池が使えるのでしょうか？

ライトセーバーの出力はすでに推定しました。これで、デバイスに蓄えられる総エネルギーを計算できます。あとは、1回の充電でどれくらい動作するかを知るだけです。『スター・ウォーズ』でライトセーバーが消えるのを見たことはありませんし、コンセントに差し込まれているのも見たことがないので、長持ちすると思います。

ライトセーバーは10時間作動すると仮定してみましょう。おそらく控えめな見積もりでしょう。つまり、ライトセーバーが10時間で2.28 x 10 ^{5ワットを出力するとすると、合計8.2 x 10 9}ジュールのエネルギーを蓄えることになります。おやおや！これは教科書を8億2000万回持ち上げるのと同じ量です。

携帯電話に使われているようなリチウムイオン電池で、これほどのエネルギーを蓄えられるでしょうか？これらのセルは1立方メートルあたり2.5×10ジュールを蓄えることができます^。蓄えられたエネルギーの値を用いると、電池の体積は3.3立方メートルになります。これは…気が遠くなるような量です。それを収納するための円筒形のハンドルは、例えば長さ4メートル、直径1メートル、つまり長さ14フィート、厚さ3フィートになるでしょう。まるで木の幹や電柱と決闘するようなものでしょう。

一方で、ヨーダがルークに言った「大きさは重要ではない」という言葉を思い出してください。だから、誰が言うべきでしょうか。

でも、もしかしたら作動時間については間違っていたかもしれません。映画に出てくるライトセーバーの寸法を使ってみましょう。柄の長さが13センチ、直径が6センチだったらどうでしょう？その体積は367立方センチで、先ほどのライトセーバーの約0.01%の大きさです。もしすべてが比例関係にあるとしたら、作動時間は4秒になります。この場合、バッテリーが長持ちする方が勝ちです。

明らかに、リチウムイオン電池では不十分です。上記の適切なハンドルサイズで、必要な駆動時間を得るには、 1立方メートルあたり2.23 x 10 ^{13ジュール（または1リットルあたり2.23 x 10 4}メガジュール）のエネルギー密度が必要です。エネルギー密度のリストを見ると、実現可能なのは何らかの核電池か反物質源だけです。反物質電池でもいいと思います。複雑ですが、とてもクールだと思います。

ところで、スター・ウォーズの映画やドラマで一番好きなライトセーバーの決闘はありますか？ぜひ教えてください。『スター・ウォーズ エピソード1/ファントム・メナス』の「運命の決闘」を挙げる人が多いですね。ダース・モールがクワイ＝ガン・ジンとオビ＝ワン・ケノービにダブルライトセーバーで挑むシーンです。サイコみたいな激しさでダース・モールを演じたレイ・パークは、実在の黒帯の持ち主で、その実力が伺えますね。

数年前に、ライトセーバー決闘のベスト5をリストアップしてみました。皆さんもぜひご賛同ください。5月4日があなたにとって良い日になりますように！