レーザー推進

メッツガーとランディスは、レーザー推進帆の変形として、帆から反射された光子を固定ミラー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」を提案した。^{[ 13 ]} これにより、光子を再利用することで発生する力が増幅され、同じレーザー出力からかなり大きな力が得られる。また、レーザー発生システムの周囲に大きなフレネルレンズを使用する多重反射光子帆構成もある。この構成では、レーザーがプローブ帆に光を照射して外側に加速し、フレネルレンズを通して反射されて反対方向に向かうより大きく質量のある反射プローブで反射される。レーザー光は何度も往復反射され、伝達される力が向上するだけでなく、重要なことに、大きなレンズは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とどまることができる。

光共振器は光子の再利用性を高めるが、ビームを共振器内に維持することが非常に難しくなる。光共振器は、反射率の高い2枚のミラーで構成でき、ファブリ・ペロー共振器を形成する。この共振器では、ミラーのわずかな動きでも共振条件が崩れ、光子の推力がゼロになる。このような光共振器は、ミラーの動きに極めて敏感なため、LIGOなどの重力波検出に使用されている。Baeは当初、この理由から、ナノメートル精度の衛星編隊飛行に光子リサイクルを利用することを提案した^{[ 14 ]}  。しかし、Baeは^{[ 15 ]}、典型的なレーザー共振器と同様に、反射率の高い2枚のミラーとレーザー利得媒体で構成されたアクティブ光共振器では、光子リサイクルがミラーの動きにあまり敏感ではなくなることを発見した。Baeは、アクティブ光共振器における光子リサイクルに基づくレーザースラスタをフォトニックレーザースラスタ（PLT）と名付けた。^{[ 16 ]}  2015年に彼のチームは、500 Wレーザーシステムを使用して 、数メートルの距離で最大1,540個の光子リサイクルと最大3.5 mNの光子推力を実証しました。実験室での実証では、 ^{[ 17 ]} CubeSat（ 重量0.75 kg）がPLTで推進されました。^{[ 18 ]}

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で推進剤を加熱する熱ロケットです。 ^{[ 19 ] [ 20 ]} ビームは固体熱交換器を加熱し、それが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します。これは原理的には核熱推進や太陽熱推進に似ています。大きな平面熱交換器を使用すると、機体に光学系を集中させることなく、レーザービームを熱交換器に直接照射できます。HXスラスタは、あらゆるレーザー波長とCWレーザーおよびパルスレーザーの両方で同様に機能し、効率が100%に近づくという利点があります。HXスラスタは、熱交換器の材料と放射損失によって、比較的低いガス温度（通常1000～2000  ℃）に制限されます。特定の温度では、最小分子量反応質量と水素推進剤で比推力が最大化され、600～800秒という十分な比推力が得られ、原理的には単段式ロケットが低地球軌道に到達するのに十分な値となる。HXレーザースラスタの概念は1991年にジョーディン・ケアによって開発された。^{[ 21 ]}同様のマイクロ波熱推進の概念は、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自に開発された。

この概念のバリエーションが、ジョン・シンコとクリフォード・シュレヒトによって、軌道上の資産に対する冗長な安全概念として提案された。^{[ 22 ]}密閉された推進剤のパケットが宇宙服の外側に取り付けられ、各パケットから宇宙飛行士またはツールの反対側に排気チャネルが伸びている。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る。排気は宇宙飛行士またはツールの後ろに向けられ、ターゲットをレーザー源に向かって引き寄せる。接近を減速するために、2番目の波長を使用して、近い側の推進剤パケットの外側をアブレーションする。

2022年にマギル大学の研究者らが、宇宙船を45日間で火星に送るために使用するレーザー熱推進システムを提案する論文を発表した。^{[ 23 ]}提案されたレーザー熱推進システムを使用して宇宙船を火星に送る主な利点の1つは、地球の磁気圏外を通過する時間を短縮することで、宇宙飛行士の宇宙線への被曝を減らすことである。^{[ 24 ]}

この設計では、レンズや放物面鏡によってレーザー光が鏡の小さな穴に集束され、その穴を通って内部が高反射性で反対側が完全に開いているチューブへと導かれます。地球から宇宙船にフェーズドアレイレーザーがパルス状に照射され、チューブ内に集束されたレーザー光が、反応質量となる可動式ミラーディスクに照射されます。レーザー光のパルスはチューブ内に閉じ込められ、往復運動を繰り返しながらミラーディスクを非常に高速で加速させます。レーザーパルスが停止した後、宇宙船側面のマガジンからミラーが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性のミラーでは数百万Gの加速度が可能であり、短距離では数十キロメートル毎秒の速度に達するため、数千の比推力を得ることができます。例えば、ミラーディスクを200 万 g で 10 m 加速すると、出口で 20 km/s の速度に達します。これは、水素/酸素ロケットモーターの排気速度である約 4.5 km/s の 4 倍以上です。比推力が 453 である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、大幅な改善となります。ディスクを巧みに制御すれば、加速期間をさらに長くすることができ、出口速度も高くなります。ジョーディン・ケアは、これらのミラーディスクは理論的には約 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、完全に破損する可能性があると計算しました。^{[ 25 ]}この推進設計は、地球の軌道から直接出る宇宙船、または帰還楕円軌道のように地球に戻ってくる宇宙船に使用できます。  

アブレーションレーザー推進（ALP）は、外部の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焼き切ることで推力を発生させるビーム駆動推進の一種です。^{[ 26 ]}小型ALP装置の測定された比推力は約5000秒（49 kN·s/kg）と非常に高く、空気推進剤を使用するLeik Myraboが開発したライトクラフトとは異なり、ALPは宇宙空間で使用できます。 

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高速で材料が直接除去されます。レーザーのフラックスとパルス持続時間に応じて、材料は単純に加熱されて蒸発するか、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秒から数千秒までの特定のインパルス値が可能です。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材料をアブレーションし、2番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、宇宙船に搭載された小型レーザーで姿勢制御または操縦のためにごく少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、およびレーザーが地球低軌道のデブリ粒子から材料をアブレーションして軌道を変更し、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校推進研究センターはALPを研究した。^{[ 27 ] [ 28 ]}

ガス中またはガスに囲まれた固体表面に高エネルギーパルスを集中させると、ガス（通常は空気）が破壊されます。これにより、衝撃波が拡大し、衝撃波面でレーザーエネルギーを吸収します（レーザー持続爆轟波またはLSD波）。パルス中およびパルス後に衝撃波面の後ろ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 ]}作動流体として空気を使用す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態です。^{[ 31 ] [ 32 ]} RPI（レンセラー工科大学）のLeik MyraboとFrank Meadによって開発された記録破りのライトクラフトは、この原理で動作します。^{[ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]}

パルスプラズマ推進の別の概念は、堀沢秀幸教授によって研究されている。^{[ 36 ]}

流れるガス流に集束された連続レーザービームは、安定したレーザー持続プラズマを生成し、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、推力を発生させます。プラズマはエンジンの壁に触れないため、ガス炉心核熱推進のように、非常に高いガス温度が可能になります。ただし、高い比推力を得るには、推進剤の分子量が小さくなければなりません。実際の使用では、比推力が約 1,000 秒の水素が通常想定されています。CW プラズマ推進の欠点は、レーザービームを窓を通して、または特殊な形状のノズルを使用して、吸収室に正確に集束する必要があることです。CW プラズマスラスタの実験は、1970 年代と 1980 年代に、主にUTSIの Dennis Keefer とイリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の Herman Krierによって行われました。

この提案では、2機の宇宙船が必要となる。1機は移動し、もう1機は地球軌道上で前者を推進する。2機目の宇宙船は、数千個の金属ペレットを1機目の宇宙船に発射する。2機目の宇宙船は、1機目の宇宙船にレーザーを照射するか、地球から1機目の宇宙船にレーザーを照射する。レーザーは各ペレットから一部の物質をアブレーションし、高速（>120 km/s）でペレットを推進して宇宙船に推力を与える。この方法により、宇宙船は1年以内に外惑星に到達でき、3年で太陽から100 AU、 15年で太陽重力レンズに到達できる。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）を推進できる。^{[ 37 ] [ 38 ]}

レーザービームのエネルギーを電気エネルギーに変換し、その電気エネルギーで何らかの電気推進スラスタを駆動させる、推進技術の一般的な分類。

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レーザー（通常の動作電流の半分以下で駆動）で充電して12時間26分間飛行しました^{[ 39 ]。}また、レーザーは無人航空機のバッテリーを飛行中に48時間充電できることが実証されています^{[ 40 ] 。}

宇宙船においては、レーザー電気推進は、宇宙空間における低推力推進の有力な選択肢として、太陽光発電や原子力発電に対抗するものと考えられている。しかし、レイク・ミラボは、磁気流体力学を用いてレーザーエネルギーを電気エネルギーに変換し、機体周囲の空気を電気的に加速させて推力を得る、高推力レーザー電気推進を提案している。