レーザー推進
ビーム駆動推進の形態

レーザー推進は、ビーム駆動型推進の一種であり、エネルギー源は遠隔地（通常は地上設置）のレーザーシステムであり、反応質量とは別個に使用されます。この推進方式は、エネルギーと反応質量の両方が機体に搭載された 固体または液体推進剤から供給される従来の化学ロケットとは異なります。

主なアプローチは2つあります。レーザー光源が宇宙船の外部にあるオフボード方式と、レーザーが宇宙船の推進システムの一部であるオンボード方式です。オフボード方式のレーザー推進には、レーザー駆動による打ち上げやレーザー光帆などがあり、宇宙船が独自のエネルギー源を搭載する必要がありません。[1]オンボード方式のレーザー推進では、核融合や電離星間ガスのレーザーを用いて推進を行います。[1]

レーザー発射熱交換器スラスタシステム

歴史

光子推進「セイル」推進システムの基本概念は、ユージン・サンガーとハンガリーの物理学者ジェルジ・マルクスによって開発されました。レーザーエネルギーロケットを用いた推進概念は、1970年代にアーサー・カントロウィッツ[2]とヴォルフガング・メーケル[3]によって開発され、レーザーアブレーションを用いた派生型はライク・ミラボ[4]によって開拓されました。カントロウィッツのレーザー推進アイデアに関する解説書は1988年に出版されました。[5] [6]

レーザー推進システムは、2つの異なる方法で宇宙船に運動量を伝達します。1つ目の方法は、光子の 放射圧を利用して運動量を伝達するものであり、ソーラーセイルやレーザーセイルの原理となっています。2つ目の方法は、従来のロケットと同様に、レーザーを用いて宇宙船から質量を排出するものです。つまり、1つ目の方法ではレーザーをエネルギーと反応質量の両方に利用しますが、2つ目の方法ではレーザーをエネルギーとして利用し、反応質量も搭載します。したがって、2つ目の方法では、最終的な宇宙船の速度はロケットの方程式によって基本的に制限されます。

レーザー推進式ライトセイル

レーザー推進式ライトセイルは、ソーラーセイルに似た薄い反射帆で、太陽ではなくレーザーによって帆が押されます。ライトセイル推進の利点は、車両が推進用のエネルギー源も反応質量も運ばないため、高速度達成に関するツィオルコフスキーロケット方程式の制限が回避されることです。レーザー推進式ライトセイルの使用は、燃料を搭載しないことで極端に高い質量比を回避できる恒星間旅行の方法として、1966年にマルクスによって最初に提案され、 [7] 1989年に物理学者ロバート L. フォワードによって詳細に分析されました。[8] この概念のさらなる分析は、ランディス、[9 ]マロブとマトロフ、[11]アンドリュース[12]などによって行われました。

回折によって帆から逸れるビームのごく一部しかビームに届かないようにするためには、ビーム径を大きくする必要がある。また、宇宙船はビームの中心を追従するために帆を十分な速さで傾けることができるよう、強力な指向安定性を備えていなければならない。これらの要件は、惑星間ミッションから恒星間ミッションへの移行、フライバイミッションから片道着陸ミッション、そして帰還ミッションへの移行など、ミッションの複雑さが増すにつれて重要性が増す。

あるいは、レーザーは、太陽放射から直接エネルギーを受け取る小さなデバイスの 大規模なフェーズドアレイで構成されることもあります。

レーザー推進帆は、ブレークスルー・スターショット・プロジェクトによって小型星間探査機を推進する方法として提案されている。

はるかに大型の宇宙船を高速で移動させるもう一つの方法は、レーザーシステムを用いて、はるかに小型の帆を連射させることです。それぞれの小型帆は、母星系からのレーザーによって減速され、電離速度で衝突します。この電離衝突は、宇宙船の強力な磁場と相互作用し、宇宙船に動力を与え、移動させる力を生み出すことができます。

このアイデアの発展形として、ミニセイルに核物質を利用するという方法があります。これらの物質は核分裂または核融合を起こし、伝達される力の強度を大幅に増大させます。しかし、このアプローチでは、非核兵器方式に比べてはるかに高い衝突速度が必要になります。

光子のリサイクル

メッツガーとランディスは、レーザー推進帆の派生型を提案した。これは、帆から反射した光子を固定鏡で帆に再反射させることで再利用する「多重反射レーザー帆」である[13] 。 これは光子の再利用によって発生する力を増幅し、同じレーザー出力で大幅に高い力を発生させる。また、レーザー発生システムの周囲に大型のフレネルレンズを配置した多重反射光子帆構成もある。この構成では、レーザー光はプローブ帆に照射され、外側へ加速される。この光子はフレネルレンズを通して反射され、さらにより大きく質量の大きい反射プローブによって反対方向に反射される。レーザー光は何度も往復反射することで伝達される力を向上させるが、重要なのは、大型レンズがレーザー光の運動量に大きく影響されないため、より安定した位置に留まることができる点である。

光空洞は光子の再利用性を高めるが、ビームを空洞内に維持することが非常に困難になる。光空洞は 2 つの高反射率ミラーで作成でき、ファブリ ペロー光共鳴空洞を形成し、この空洞ではミラーのわずかな動きによって共鳴条件が破壊され、光子推進力がゼロになる。このような光空洞はミラーの動きに対する非常に敏感な性質から、LIGOなどの重力波検出に使用されている。この理由から、 Bae は当初[14]光子再利用を衛星のナノメートル精度編隊飛行に利用することを提案した。しかし Bae は、一般的なレーザー空洞と同様に 2 つの高反射率ミラーとその間のレーザー利得媒体で形成される能動光空洞では、光子再利用がミラーの動きに対して鈍感になることを発見した [15]。Bae は能動光空洞での光子再利用に基づいて、このレーザー スラスタを Photonic Laser Thruster (PLT) と名付けた。[16] 2015年、彼のチームは500Wのレーザーシステムを用いて、数メートルの距離で最大1,540回の光子リサイクルと最大3.5mNの光子推進を実証した。実験室での実証実験では、[17]キューブサット（重量0.75kg）がPLTで推進された。[18]

レーザー駆動ロケット

レーザー推進にはいくつかの形態があり、レーザーをエネルギー源として利用し、ロケットに搭載された推進剤に運動量を与えます。レーザーをエネルギー源として使用すると、推進剤に供給されるエネルギーは推進剤の化学エネルギーによって制限されません。

レーザー熱ロケット

レーザー熱ロケット（熱交換器（HX）スラスタ）は、外部レーザービームによって供給されるエネルギーによって推進剤が加熱される熱ロケットである。 [19] [20] ビームは固体熱交換器を加熱し、次に不活性液体推進剤を加熱して高温ガスに変換し、従来のノズルから排出する。これは原理的には核熱推進や太陽熱推進に似ている。大型の平らな熱交換器を使用することで、ロケットに光学系の焦点を合わせなくても、レーザービームを熱交換器に直接照射することができる。HXスラスタには、あらゆるレーザー波長、CWレーザー、パルスレーザーで同様に動作し、効率が100%に近づくという利点がある。HXスラスタは、熱交換器の材質と放射損失によって比較的低いガス温度（通常1000～2000℃）に制限される。所定の温度において、最小分子量の反応物質と水素推進剤を用いることで比推力は最大化され、600～800秒という十分な比推力が得られる。これは原理的には単段式ロケットが低軌道に到達できるほど高い。HXレーザー推進器のコンセプトは、 1991年にジョーダン・ケアによって開発された。[21]同様のマイクロ波熱推進コンセプトは、2001年にカリフォルニア工科大学のケビン・L・パーキンによって独立して開発された。

この概念のバリエーションとして、ジョン・シンコ教授とクリフォード・シュレヒト博士が、軌道上の資産のための冗長安全コンセプトとして提案しました。[22]宇宙服の外側には、封入された推進剤のパケットが取り付けられ、各パケットから宇宙飛行士またはツールの反対側まで排気管が伸びています。宇宙ステーションまたはシャトルからのレーザービームがパケット内の推進剤を気化させます。排気は宇宙飛行士またはツールの背後に向けられ、対象物をレーザー光源に向かって引き寄せます。接近を阻止するために、第2の波長を用いて推進剤パケットの手前側の外側をアブレーションします。

2022年にマギル大学の研究者らによって、45日間で火星に宇宙船を送るために使用されるレーザー熱推進システムを提案する論文が発表されました。[23]火星に宇宙船を送るために提案されているレーザー熱推進システムを使用する主な利点の1つは、地球の磁気圏外での移動時間を短縮することにより、宇宙飛行士の宇宙線への被ばくを減らすことです。[24]

レーザーミラーロケット

この設計では、レンズや放物面鏡がレーザー光を鏡の小さな穴に集束させ、その穴はチューブにつながっています。チューブは内部の反射率が高く、反対側は完全に開いています。[要出典]フェーズドアレイ レーザーが地球から宇宙船にパルス送信され、そこでレーザー光がチューブに集束されて、待機している可動ミラー ディスクが反応質量になります。レーザー光のパルスはチューブ内に閉じ込められ、前後に跳ね返り、ミラー ディスクを非常に高速で加速します。レーザー パルスがオフになった後、ミラーは宇宙船の側面にあるマガジンからチューブ内の所定の位置に移動されます。これらの小型で高反射率のミラーでは数百万gの加速度が可能で、短距離での速度は毎秒数十キロメートルに達する可能性があり、特定のインパルスは数千単位になります。[要出典]たとえば、ミラーディスクが 10 メートル以上 200 万 G で加速されると、出口で 20 km/s の速度に達します。これは、約 4.5 km/s である水素/酸素ロケットモーターの排気速度の 4 倍以上です。比推力が 453 のスペースシャトルの水素/酸素エンジンと上記の例の比推力を比較すると、ミラーロケットの比推力は 2034 となり、大幅に改善されています。[要出典]ディスクを巧みに制御すると、加速期間も大幅に長くなり、出口速度も高くなります。Jordin Kare は、これらのミラーディスクは理論上は約 3200 万 G まで押し上げることができるが、あらゆる材料の強度の限界に達し、完全に破損すると計算しました。[25]この推進設計は、地球の軌道から直接出ていく宇宙船や、地球に戻る楕円軌道で地球に近づく宇宙船に使用することができます。

アブレーションレーザー推進

アブレーションレーザー推進（ALP）は、ビーム駆動推進の一種で、外部パルスレーザーを使用して固体金属推進剤からプラズマプルームを燃焼させ、推力を生成します。[26]小型ALPセットアップの測定された比推力は約5000秒（49 kN·s/kg）と非常に高く、ライク・ミラボが開発した空気を推進剤として使用する軽飛行機とは異なり、ALPは宇宙でも使用できます。

パルスレーザーアブレーションにより、固体または液体の表面から物質が高速で直接除去されます。レーザー束とパルス持続時間に応じて、物質は単純に加熱・蒸発させるか、プラズマに変換されます。アブレーション推進は、空気中または真空中で機能します。推進剤とレーザーパルスの特性を選択することで、200秒から数千秒の比推力値が可能です。アブレーション推進のバリエーションには、1つのレーザーパルスで物質をアブレーションし、2つ目のレーザーパルスでアブレーションされたガスをさらに加熱するダブルパルス推進、姿勢制御や操縦のために宇宙船に搭載された小型レーザーで微量の推進剤をアブレーションするレーザーマイクロ推進、低地球軌道のデブリ粒子からレーザーが物質をアブレーションして軌道を変え、再突入させる 宇宙デブリ除去などがあります。

アラバマ大学ハンツビル推進研究センターはALPの研究を行っている。[27] [28]

パルスプラズマ推進

高エネルギーパルスをガス内またはガスに囲まれた固体表面に集束させると、ガス（通常は空気）の崩壊が起こります。これにより膨張する衝撃波が発生し、衝撃波の先端でレーザーエネルギーが吸収されます（レーザー持続デトネーション波、またはLSD波）。パルス中およびパルス後に衝撃波の先端背後の高温プラズマが膨張し、機体に運動量が伝達されます。[29] [30]空気を作動流体として用いるパルスプラズマ推進は、空気吸入式レーザー推進の最も単純な形式です。[31] [32]レンセラー工科大学（RPI）のライク・マイラボとフランク・ミードによって開発された、記録破りの軽飛行機もこの原理に基づいています。[33] [34] [35]

パルスプラズマ推進の別の概念は、堀澤秀之教授によって研究されています。[36]

CWプラズマ推進

流れるガス流に集束した連続レーザー光線は、安定したレーザー持続プラズマを作り出​​し、これがガスを加熱します。その後、高温のガスは従来のノズルを通して膨張し、推力を生み出します。プラズマはエンジンの壁に触れないので、ガスコア核熱推進の場合と同様に、非常に高いガス温度が可能です。しかし、高い比推力を得るためには、推進剤は低分子量でなければなりません。実際の使用では通常、比推力が約1,000秒の水素が想定されています。CWプラズマ推進の欠点は、窓を通して、または特殊な形状のノズルを使用して、レーザー光線を吸収室に正確に集束させなければならないことです。CWプラズマ推進の実験は、1970年代と1980年代に、主にUTSIのDennis Keefer博士とイリノイ大学アーバナ・シャンペーン校のHerman Krier教授によって行われました。

ペレットビーム推進

この提案には2機の宇宙船が必要となる。1機は地球を周回する宇宙船で、もう1機は地球を周回する宇宙船で、前者を推進する。2機目の宇宙船は数千個の金属ペレットを1機目に発射する。2機目は1機目の宇宙船にレーザーを照射するか、地球からレーザーを1機目の宇宙船に照射する。レーザーは各ペレットから物質を蒸発させ、それらを高速（120 km/s以上）で推進することで宇宙船に推力を与える。この方法により、宇宙船は1年未満で外惑星に到達し、3年で太陽から100 AU、 15年で太陽の重力レンズに到達できる可能性がある。また、他の推進コンセプトよりも重い宇宙船（質量約1トン）を推進することも可能となる。[37] [38]

レーザー電気推進

レーザー ビームのパワーが電気に変換され、何らかのタイプの電気推進スラスタに電力を供給する一般的なクラスの推進技術。

小型クワッドコプターは、170ワットの太陽光発電アレイを電力受信機として使用し、2.25kWのレーザー（通常の動作電流の半分以下で動作）で充電して12時間26分飛行しました。[39]また、レーザーは飛行中の無人航空機のバッテリーを48時間充電できることが実証されています。[40]

宇宙船において、レーザー電気推進は、太陽電気推進や原子力電気推進の低推力宇宙推進の競合候補と考えられています。しかし、ライク・ミラボは、電磁流体力学を用いてレーザーエネルギーを電気に変換し、機体周囲の空気を電気的に加速して推進力を得る高推力レーザー電気推進を提案しています。

参照

参考文献

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  • HX打ち上げシステムに関するNIACの調査の最終報告書
  • 「ALPについて説明した原論文」（PDF）。2006年8月9日に原文（PDF）からアーカイブ。
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