提案された熱核ロケットエンジンの新しい概念

プリンストンプラズマ物理研究所（PPPL）の物理学者によって、人類を火星やそれ以降に連れて行くことができる新しいタイプのロケットエンジンが提案されました。

この装置は、磁場を使用して、第4の物質状態としても知られる帯電ガスであるプラズマの粒子をロケットの後部から飛ばし、運動量を保存するために船を前進させます。最新の宇宙試験済みプラズマスラスタは、電界を使用して粒子を移動させます。

新しい概念は、磁力線が収束し、突然分離し、次に再結合して大量のエネルギーを生成する太陽の表面を含む宇宙全体で観察されているプロセスである磁気リコネクションを通じて粒子を加速します。再接続は、トカマクと呼ばれる核融合装置の内部でも発生します。

「私はしばらくの間、この概念を準備してきました」と、この概念の発明者であり、Journal of PlasmaPhysicsのアイデアを詳述した記事の著者であるPPPL主任物理学者FatimaEbrahimiは述べています。

「2017年に、自動車の排気ガスと、研究所の現在の主力フュージョンコンプレックスの前身であるNational Spherical Torus Experiment（NSTX）PPPLによって作成された高速排気粒子の類似点について考えていたときに思いついた」。

「動作中、このトカマクは、毎秒約20 kmの速度で移動するプラズモイド（閉じた磁気ループ内の閉じ込められたプラズマ）と呼ばれる磁気バブルを生成します。これは、推力に非常に似ているように見えました。」

太陽と星を推進する力であるフュージョンは、プラズマの形で軽い元素を組み合わせます-可視宇宙の99％を構成する自由電子と原子核で構成される高温の帯電した物質の状態-大量のエネルギー。科学者たちは、発電のためのほぼ無尽蔵のエネルギー源を得るために、地球上で熱核融合を再現しようと努力しています。

電場を使用して粒子を移動させる最新のプラズマスラスタは、小さな比推力または速度しか生成できません。しかし、PPPLコンピューターで実行されたコンピューターシミュレーションは、プラズマエンジンの新しい概念が、他のエンジンより10倍速い、毎秒数百キロメートルの排気を生成できることを示しています。

宇宙船の速度が速いと、人間が外惑星にアクセスできるようになる可能性があります。 「化学ロケットモーターの比推力が非常に低いため、長距離を移動するには数か月から数年かかります。そのため、船が速度を上げるのに時間がかかります」とファティマエブラヒミ氏は述べています。 「しかし、磁気リコネクションに基づいてモーターを作成すれば、より短い期間で遠距離恋愛を行うことができるかもしれません。」

新しいエンジンコンセプトと他のデバイスの間には、3つの主な違いがあります。まず、磁場の強さを変えると推力が増減する可能性があります。 「より多くの電磁石とより多くの磁場を使用することで、実際にノブを回して速度を微調整することができます。」

第二に、新しいスラスターは、プラズマ粒子とプラズモイドとして知られる磁性気泡を放出することによって動きを生み出します。プラスモイドは推進システムに動力を追加し、他のエンジンコンセプトには含まれていません。

第三に、電場に依存する現代のスラスターの概念とは異なり、エブラヒミの磁場により、スラスター内のプラズマを重い原子または軽い原子で構成することができます。

この柔軟性により、科学者は特定の任務に合わせて推力を調整できます。 「他のエンジンはキセノンのような原子で構成される重いガスを必要としますが、この概念では、任意のタイプのガスを使用できます」とエブラヒミ氏は述べています。場合によっては、小さな原子はより速く移動できるため、科学者はより軽いガスを好むかもしれません。

この概念は、PPPLの宇宙推進研究のポートフォリオを拡張します。他のプロジェクトには、1999年にPPPL物理学者のEugeneRaitsesとNathanielFischが宇宙船を支えるためのプラズマ粒子の使用を調査するために開始したホールスラスタ実験が含まれます。彼らはまた、小さなホールスラスタを使用して、CubeSatsと呼ばれる小型衛星に、地球を周回する際の機動性を高める可能性を模索しています。

エブラヒミは、彼女のエンジンコンセプトは核融合エネルギーの分野での彼女の研究に直接関係していると強調しました。この作業は過去の融合作業に着想を得ており、宇宙推進のためにプラズモイドと再結合が提案されたのはこれが初めてです。次のステップはプロトタイピングです！