ビーム駆動推進

ビーム駆動推進は指向性エネルギー推進とも呼ばれ、遠隔地の発電所から宇宙船にビームで送られるエネルギーを利用してエネルギーを供給する航空機または宇宙船の推進の一種です。ビームは通常、マイクロ波またはレーザービームで、パルスまたは連続のいずれかです。連続ビームは、熱ロケット、光子スラスタ、および光帆に適しています。対照的に、パルスビームは、アブレーションスラスタやパルスデトネーションエンジンに適しています。^[1]

通常引用される経験則は、低軌道に到達するためには加速中にペイロード1kgあたり1メガワットの電力を宇宙船に照射する必要があるというものである。^[2]

軌道への打ち上げ以外にも、世界中を高速で移動するための用途も提案されている。

ロケットは運動量機械です。ロケットから放出される質量を利用して、ロケットに運動量を与えます。運動量は質量と速度の積であるため、ロケットは通常、作業質量にできるだけ多くの速度を与え、必要な作業質量を最小限に抑えようとします。作業質量を加速するには、エネルギーが必要です。従来のロケットでは、燃料を化学的に組み合わせてエネルギーを供給し、その結果生じる燃料生成物である灰または排気ガスが作業質量として使用されます。

エネルギーと運動量の両方に同じ燃料を使用しなければならない特別な理由はありません。たとえば、ジェット エンジンでは、燃料はエネルギーを生成するためだけに使用され、空気はジェット機が飛行する作業質量を提供します。現代のジェット エンジンでは、推進される空気の量は、エネルギーに使用される量よりもはるかに重要です。ただし、ロケットは空気が薄すぎて作業質量の源として役に立たない高度まで急速に上昇するため、これはロケットの解決策にはなりません。

ロケットは作動質量を運ぶことができ、他のエネルギー源も使用できます。問題は、化学燃料と競合するパワー対重量比を持つエネルギー源を見つけることです。この点では小型原子炉が競合でき、 1960 年代には核熱推進に関するかなりの研究が行われました。しかし、環境問題とコストの上昇により、これらのプログラムのほとんどが終了しました。

宇宙船によって生成されたエネルギーを取り除くことで、さらに改善することができます。原子炉を地上に残し、そのエネルギーを宇宙船に送れば、原子炉の重量も取り除かれます。問題は、そのエネルギーを宇宙船に送り込むことです。これがビーム電力の背後にある考え方です。

ビーム推進では、動力源を地上に固定したまま、固定された装置からのメーザーまたはレーザービームで宇宙船の推進剤を直接（または熱交換器を介して）加熱することができます。これにより、宇宙船は動力源を地上に残すことができるため、質量を大幅に節約し、性能を大幅に向上させることができます。

レーザーは推進剤を極めて高温に加熱できるため、排気速度は温度の平方根に比例し、ロケットの効率を大幅に向上させる可能性があります。通常の化学ロケットの排気速度は推進剤のエネルギーの一定量によって制限されますが、ビーム推進システムには特に理論上の制限はありません (ただし、実際には温度制限があります)。^[要出典]

マイクロ波熱推進では、外部マイクロ波ビームを使用して耐火熱交換器を 1,500 K 以上に加熱し、水素、メタン、アンモニアなどの推進剤を加熱します。これにより、従来のロケット推進に比べて推進システムの比推力と推力重量比が向上します。たとえば、水素は 700～900 秒の比推力と 50～150 の推力重量比を提供できます。^[3]

ジェームズ・ベンフォードとグレゴリー・ベンフォード兄弟が開発したバリエーションでは、巨大なマイクロ波帆の素材に閉じ込められた推進剤の熱脱着を利用する。これにより、マイクロ波で推進する帆だけの場合に比べて、非常に高い加速が得られる。

提案されている宇宙船の推進機構の中には、電気で動く宇宙船の推進機構を使用するものがあり、イオンスラスタやプラズマ推進エンジンなどの電動ロケットエンジンによって電気エネルギーが使用される。通常、これらの方式では太陽電池パネルか搭載型原子炉のいずれかが想定されている。しかし、どちらの電源も重い。

レーザービーム推進は、レーザー電気推進用の太陽光発電パネルに電力を送ることができる。このシステムでは、高強度の太陽光が太陽電池アレイに当たると、加熱効果による変換効率の低下を避けるためにパネルを慎重に設計する必要がある。ジョン・ブロフィーは、NASAの革新的先進概念プロジェクトにおける星間前駆ミッションなどの高デルタVミッションを達成する手段として、高効率電気推進システムに電力を供給する太陽光発電アレイへのレーザー電力の伝送を分析した。^[4]

マイクロ波ビームは、マイクロ波電気推進用のレクテナに電力を送るために使用できます。マイクロ波の放送電力は、実際に数回実証されています (例: 1974 年、カリフォルニア州ゴールドストーン)。レクテナは軽量で、高い変換効率で高電力を処理できます。ただし、大量の電力を捕捉するには、レクテナが巨大でなければなりません。

ビームは、帆を直接「押す」ことによって推進力を与えることもできます。

一例として、ソーラーセイルを使ってレーザー光線を反射することが挙げられます。レーザー推進ライトセイルと呼ばれるこの概念は、当初G. マルクス^[5]によって提案されましたが、 1989年に物理学者ロバート L. フォワード^[6]によって初めて詳細に分析され、燃料を運ば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詳しく説明されました。この概念のさらなる分析は、ランディス^[7]、[8]マロブとマトロフ^[9]アンドリュース^[10]ルービン^[11]らによって行われました。

フォワードは後の論文で、マイクロ波ビームで帆を押すことを提案した。^[12]この方法の利点は、帆が連続面である必要がないことである。フォワードは超軽量帆の提案を「スターウィスプ」と名付けた。ランディスによる後の分析^[13]では、フォワードが最初に提案したスターウィスプのコンセプトは機能しないが、提案のバリエーションは実装される可能性があることが示唆された。

ビームの直径は大きく、回折により帆を逸れるビームの部分はごくわずかでなければなりません。また、レーザーまたはマイクロ波アンテナは、帆をビームの中心に追従するのに十分な速さで傾けることができるように、指向安定性が良好でなければなりません。これは、惑星間旅行から恒星間旅行に移行するとき、およびフライバイミッションから着陸ミッション、そして帰還ミッションに移行するときに、さらに重要になります。レーザーまたはマイクロ波送信機は、太陽放射から直接エネルギーを得る小さなデバイスの大規模なフェーズドアレイになる可能性があります。アレイのサイズにより、レンズやミラーは不要になります。

ビーム推進のもうひとつのコンセプトは、磁気帆またはMMPP帆を使用して、粒子加速器またはプラズマジェットからの荷電粒子のビームをそらすことです。 ^[14]ランディスは1989年に粒子ビーム推進帆を提案し、^[7] 2004年の論文でより詳細に分析しました。^[15] ジョーダン・カレは、これに変形を加えたもので、小さなレーザー加速光帆の「ビーム」がマグセイル車両に運動量を伝達することを提案しました。^[16]

ビーム推進のもう一つのコンセプトは、通常の物質のペレットまたは発射体を使用する。静止したマスドライバーからのペレットの流れは宇宙船によって「反射」される（マスドライバーを参照） 。^[17]宇宙船は、自身の推進のためにエネルギーも反応質量も必要としない。

ライトクラフトは^現在開発中の乗り物であり^{、レーザーまたはメーザー}エネルギーの外部パルス源を使用して推進力を生成するための電力を供給します。

レーザーは機体の下部にある放物面反射鏡に照射され、光を集中させて非常に高温の領域を作り出します。この領域の空気は加熱されて激しく膨張し、レーザー光のパルスごとに推力を生み出します。軽飛行機は、このガスを機内タンクまたは宇宙空間のアブレーション固体から供給する必要があります。機体の動力源を地上に残し、上昇のほとんどの間、周囲の大気を反応質量として使用することで、軽飛行機は打ち上げ質量のかなりの割合を軌道に乗せることができます。また、製造コストが非常に安くなる可能性もあります。

2000 年 10 月 2 日の早朝、高エネルギー レーザー システム試験施設 (HELSTF) で、ライトクラフト テクノロジーズ社 (LTI) は、米国空軍研究所のフランクリン B. ミード氏とライク マイラボ氏の協力を得て、直径 4.8 インチ (12.2 cm)、重さ 1.8 オンス (51 g) のレーザー ブースト ロケットで 12.7 秒間の飛行で 233 フィート (71 m) という世界最高高度を樹立しました。^[18]午前 8 時 35 分の飛行の大半は 230 フィート以上の高度でホバリングしていたにもかかわらず、ライトクラフトはレーザー駆動による自由飛行の最長記録と、光推進物体による最長の「滞空時間」(つまり、打ち上げから着陸/回復までの時間) の世界記録を達成しました。これは、ロバート ゴダード氏が設計したロケットの最初の試験飛行に匹敵します。レーザー出力を 100 キロワットに増やせば、高度 30 キロまでの飛行が可能になります。彼らは、特注の地上設置型 1 メガワット レーザーを使用して、1 キログラムの超小型衛星を低軌道に加速することを目指しています。このようなシステムでは、約 20 ドル相当の電力しか使用せず、1 キログラムあたりの打ち上げコストは、現在の打ち上げコスト (数千ドル単位) の何倍も低くなります。^[要出典]

マイラボの「ライトクラフト」設計は、反射放物面を使用してレーザーからの熱を中心に向けて導く、反射漏斗形の航空機です。これにより、レーザーがその下の空気を爆発させ、揚力を生成します。航空機の反射面はビームをリングに集中させ、そこで空気を太陽の表面温度のほぼ 5 倍に加熱し、空気を爆発的に膨張させて推力を生み出します。

レーザー熱ロケットは、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]} 1992年、故ジョルダン・カレは、液体水素を含むロケットを使用した、より単純で近い将来のコンセプトを提案した。^[21]推進剤は、従来のノズルを介して車両から出る前に、レーザービームが照射される熱交換器で加熱される。このコンセプトでは、連続ビームレーザーを使用でき、半導体レーザーは現在、この用途に費用対効果が高い。^{[22] [23]}

2002年、ケビン・LG・パーキンはマイクロ波を使用した同様のシステムを提案した。^{[3] [24] [25] [26]} 2012年5月、DARPA/NASAミリ波サーマル・ローンチ・システム（MTLS）プロジェクト^[27]は、このアイデアの実現に向けた第一歩を踏み出した。MTLSプロジェクトは、ミリ波吸収耐火熱交換器を初めて実証し、その後、それを小型ロケットの推進システムに統合して、初のミリ波サーマルロケットを製造した。同時に、初の高出力協調ターゲットミリ波ビームディレクターを開発し、それを使用して初のミリ波サーマルロケットの打ち上げを試みた。数回の打ち上げが試みられたが、ビームディレクターの問題は、2014年3月に資金が枯渇する前に解決できなかった。

ビーム動力推進システムを開発する動機は、推進性能の向上によって得られる経済的利点にあります。ビーム動力打ち上げロケットの場合、推進性能の向上により、ペイロードの割合の増加、構造マージンの増加、段数の削減などの組み合わせが可能になります。フリーマン・ダイソンが執筆したJASONの 1977 年のレーザー推進に関する研究^[28]では、ビーム動力打ち上げの可能性が簡潔に述べられています。

「レーザー推進は宇宙技術に革命を起こすかもしれないアイデアです。地上のレーザー施設 1 つで、理論上は単段式宇宙船を低軌道または高軌道に打ち上げることができます。ペイロードは宇宙船の離陸重量の 20% または 30% になります。質量とエネルギーの使用は化学推進よりはるかに経済的で、同じ宇宙船をさまざまな軌道に乗せる柔軟性もはるかに優れています。」

この約束は、1978年にNASAのために実施されたロッキード社の研究^[29]で定量化されました。

「研究の結果、先進技術を駆使すれば、宇宙または地上に設置されたレーザー送信機を備えたレーザーロケットシステムは、同等の能力を持つ先進化学推進システム（LO ₂ -LH ₂）と比較して、10年間のライフサイクルで宇宙輸送に割り当てられる国家予算を100億～3,450億ドル削減できる可能性があることが判明しました。」

1970 年代の研究やそれ以降の研究で、ビーム誘導装置のコストがビーム駆動打ち上げシステムの障害になる可能性があると指摘されています。最近の費用便益分析^[30]では、ビーム誘導装置のコストが 20 ドル/ワットを下回れば、マイクロ波 (またはレーザー) 熱ロケットは経済的になると推定されています。適切なレーザーの現在のコストは 100 ドル/ワット未満で、適切なマイクロ波源のコストは 5 ドル/ワット未満です。大量生産により、電子レンジのマグネトロンの生産コストは 0.01 ドル/ワット未満、一部の医療用レーザーの生産コストは 10 ドル/ワット未満に低下しましたが、これらはビーム誘導装置には不向きだと考えられています。

1964年、ウィリアム・C・ブラウンは、レクテナと呼ばれるアンテナと整流器を組み合わせた装置を搭載した小型ヘリコプターを披露した。レクテナはマイクロ波電力を電気に変換し、ヘリコプターの飛行を可能にした。^[31]

2002年に日本の研究グループが、レーザーを使って飛行機に付着した水滴を蒸発させることで、小さなアルミニウム飛行機を推進させました。また、2003年にはNASAの研究者が、レーザーで照らされた太陽電池パネルで動くプロペラを搭載した11オンス（312グラム）の模型飛行機を飛ばしました。^[32]このようなビーム駆動の推進力は、長期間の高高度無人航空機や気球に役立つ可能性があり、今日の衛星のように、通信中継、科学プラットフォーム、または監視プラットフォームとして機能するように設計されている可能性があります。

地球の軌道から宇宙ゴミを掃き出すために「レーザーほうき」が提案されている。これは、ビーム動力推進の別の提案された使用法であり、ビーム動力推進によって推進するように設計されていない物体、たとえば、衛星から打ち落とされた（「破砕された」）小さな破片などに使用される。この技術は、レーザーのパワーが物体の片側をアブレーションし、物体の軌道の偏心を変える衝撃を与えるため機能する。その後、軌道は大気圏と交差し、燃え尽きる。

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