直接核融合駆動（DFD）は、惑星間宇宙船に適した推力と電力の両方を生成するように設計された、概念的な低放射能の核融合ロケットエンジンです。このコンセプトは、2002年にサミュエル・A・コーエンによって発明されたプリンストン磁場反転構成炉に基づいています。これは、米国エネルギー省の施設であるプリンストンプラズマ物理研究所でモデル化と実験テストが行われているほか、プリンストン衛星システム（PSS）によってモデル化と評価が行われています。[1] [2] 2018年現在、NASAが推進する直接核融合駆動プロジェクトは、コンセプトの進化の第2段階として提示され、シミュレーション段階に入ったと言われています。[3]
原理
直接核融合駆動（DFD）は、中間発電プロセスを必要とせず、核融合から直接推力を発生させる独自の能力にちなんで名付けられた、理論上の宇宙船推進システムです。磁気閉じ込めと加熱機構を用いて、DFDはヘリウム3（3He）と重水素（Dまたは2H）の混合物で駆動されます。その結果、高い比出力、可変推力、比推力、そして宇宙船推進システムからの最小限の放射線放出を特徴とする推進システムを実現します。[4]
DFDでは、電子とイオンを含む荷電粒子の集合体であるプラズマが高温（100keV）で融合し、莫大なエネルギーを放出します。プラズマは線形ソレノイドコイル[5]内のトーラス状の磁場に閉じ込められ、回転磁場によって適切な融合温度まで加熱されます[4]。プラズマから放出される制動放射線とシンクロトロン放射は捕捉され、通信、宇宙船の軌道維持、プラズマの温度維持のための電力に変換されます[6]。この設計では、特殊な形状の無線周波数（RF）「アンテナ」を用いてプラズマを加熱します[7] 。この設計には、ユニットの起動または再起動のための充電式バッテリーまたは重水素酸素補助電源ユニットが含まれています[4] 。
捕捉された放射エネルギーは、プラズマの外側を流れるHe-Xe流体をホウ素含有構造内で1,500 K（1,230 °C; 2,240 °F）まで加熱します。このエネルギーは閉ループ型ブレイトンサイクル発電機に送られ、コイルへの通電、RFヒーターへの電力供給、バッテリーの充電、通信、そして軌道維持機能に使用される電力に変換されます。[4]
推力発生
エッジプラズマ流に推進剤を加えると、磁気ノズルを通って加速され、可変推力と比推力が得られます。ノズルを通過するこの運動量の流れは、主にイオンが磁気ノズルを通って拡張する際に運ばれ、イオンスラスタとして機能します。[4]
発達
実験研究装置の建設と初期の運用の大部分は、米国エネルギー省の資金提供を受けた。最近の研究（フェーズIおよびフェーズII）は、NASA先端概念研究所（NIAC）プログラムによって資金提供された。[7]この概念に関する一連の論文は2001年から2008年にかけて発表され、最初の実験結果は2007年に報告された。宇宙船ミッション（フェーズI）に関する多数の研究は、2012年から発表されている。2017年、プリンストン・サテライト・システムズは、「この方法による電子加熱の研究は理論予測を上回っており、第2世代の装置におけるイオン加熱を測定する実験が進行中である」と報告した。[4]
2018年現在、この構想はフェーズII、すなわちシミュレーション段階に移行している。[8] [9]フルサイズのユニットは、直径約2メートル、長さ約10メートルとなる。[10] PSSは、PFRC-2における電子加熱が理論予測を上回り、パルス長300ミリ秒で500eVに達したと報告している。イオン加熱実験は2020年現在も継続中である。[11]
ステファニー・トーマスはプリンストン衛星システムズの副社長であり、ダイレクト・フュージョン・ドライブの主任研究者です。[12]
予測されるパフォーマンス
プリンストン衛星システムズは、直接核融合駆動装置は、生成される核融合エネルギー1MWあたり5～10ニュートン[4]の推力[9]を発生でき、比推力（I sp）は約10,000秒、電力として200kWを利用できると見積もっています[8] 。核融合エネルギーの約35%が推力に、30%が電力に、25%が熱として失われ、10%がRF加熱のために再循環されます[4] 。
同社のモデル化によると、この技術により質量約1,000kg（2,200ポンド）の宇宙船を4年で冥王星まで推進でき、 [8]深宇宙ミッションが可能になります。[13] DFDは余分な電力を生成するため、到着時にペイロードに約2MWの電力を供給できます。これにより、機器の選択やレーザー/光通信の選択肢が広がり、[4] [8] 1080nmの波長で動作するレーザービームを介して、最大50kWの電力を周回機から着陸機に伝送することも可能です。[4]
プリンストン・サテライト・システムズ社は、この技術により惑星探査ミッションの科学的可能性を拡大できると述べている。[8]この電力・推進技術は、冥王星探査機および着陸機ミッションへの利用が提案されている。 [4] [8]また、オリオン宇宙船に統合することで、火星への有人ミッションをより短期間で輸送することができるとされている。 [14] [15]（現在の技術では9ヶ月かかるところ、4ヶ月）。[10] DFDは、タイタンに科学ペイロードを2.6年で運ぶ予定である。[16]
参照
参考文献
- ^ エルヴィス、マーティン (2021). 『小惑星：愛、恐怖、そして貪欲が宇宙における私たちの未来をどう決定づけるか』 イェール大学出版局. p. 158. ISBN 978-0-300-25838-7. OCLC 1264136457.
- ^ 「わずか2年で土星に到達できる直接核融合推進装置」『ポピュラーメカニクス』2020年10月21日。 2023年1月8日閲覧。
- ^ フォード、プリヤンカ. 「評議会の投稿：カーボンニュートラルへの競争：核融合エネルギーと機械学習」.フォーブス. 2023年1月8日閲覧。
- ^ abcdefghijk Thomas, Stephanie (2017-02-07). 核融合対応冥王星周回機・着陸機(PDF) (レポート).
- ^ 「直接核融合駆動ロケット」www.npl.washington.edu . 2023年11月28日閲覧。
- ^ ラジン、ヨセフ S.;パジャー、ゲイリー。ブルトン、メアリー。ハム、エリック。ミュラー、ジョセフ。マイケル・パルスゼク。グラッサー、アラン H.コーエン、サミュエル A. (2014-12-01)。 「ロケット推進のための直接核融合ドライブ」。アクタ・アストロノーティカ。105 (1): 145–155。ビブコード:2014AcAau.105..145R。土井: 10.1016/j.actastro.2014.08.008。ISSN 0094-5765。S2CID 109208384。
- ^ ab Paluszek, Michael (2015年6月2日). 「Direct Fusion Drive Quad Chart」.プリンストン衛星システム. 2023年6月19日閲覧。
- ^ abcdef ホール、ルーラ (2017 年 4 月 5 日)。 「核融合可能な冥王星周回機と着陸船」。NASA 。2018 年7 月 14 日に取得。
- ^ ab Thomas, Stephanie J.; Paluszek, Michael; Cohen, Samuel A.; Glasser, Alexander (2018)、「核融合および将来の飛行推進 - 直接核融合駆動の推力のモデリング」、2018 Joint Propulsion Conference、アメリカ航空宇宙学会、doi :10.2514/6.2018-4769、ISBN 978-1-62410-570-8, S2CID 126347870 , 2023年1月15日取得
- ^ ab Husain, Zain (2016年10月1日). 「ダイレクト・フュージョン・ドライブは宇宙旅行にどのような革命を起こすのか」BrownSpaceman . 2023年1月15日閲覧。
- ^ 「メガワット級の直接核融合駆動でISPを25倍、冥王星への移動速度を3倍に」Next Big Future . 2021年8月13日閲覧。
- ^ 「ダイレクト・フュージョン・ドライブ技術アニメーション」.プリンストン・サテライト・システムズ. 2018年7月10日. 2023年6月19日閲覧。
- ^ 「IAEAパネル、原子力技術が将来の宇宙ミッションの推進力と動力源となると発表」www.iaea.org . 2022年2月18日. 2023年1月8日閲覧。
- ^ Mueller, Joseph (2013年8月8日). 「火星への直接核融合推進 - FISOトーク」.プリンストン衛星システム. 2023年1月15日閲覧。
- ^ Lemonick, Michael D. (2013年9月11日). 「核融合発電で火星へ行く？ 可能性はある」. Time . ISSN 0040-781X . 2023年1月15日閲覧。
- ^ 「宇宙船の設計では、直接核融合駆動装置を使用すればわずか2年でタイタンに到達できる可能性がある」Phys.org。
外部リンク
- プリンストン衛星システムズ社 ダイレクトフュージョンドライブ技術アニメーション
