無電極プラズマスラスタ

無電極プラズマスラスタは、「無電極イオン化磁化ポンドロモーティブ加速スラスタ」の略称である「E-IMPAcT」で商品化された宇宙船推進エンジンです。これは、フランス原子力委員会の科学者であるリチャード・ゲラー博士とテレンツィオ・コンソリ博士が開発した高速プラズマビーム生成技術を基に、グレゴリー・エムセラムによって開発されました。

無電極プラズマスラスタは、エルウィング社によって2002年から2015年にかけて開発され、様々な宇宙船の推進ニーズに合わせて改良された。

1. 推進剤はスラスタ本体の上流側に噴射される。使用する推進剤が局所温度で気体でない場合（例えばアルカリ金属など）、推進剤は気化させる必要がある。 ^{[ 1 ]}
2. 気体推進剤は、以下のいずれかの方法でイオン化される。
   • 熱陰極または電子銃から放出された電子を推進剤に照射する。
   • 2つの電極間における定常状態の放電。
   • 容量放電、誘導放電、あるいはヘリコン放電などを介して交流電界を印加する。
   • 無線周波数からガンマ線まで、さまざまな周波数の電磁波は、特に固体推進剤に有効であり、その場合、レーザーパルスによって推進剤を同時に気化およびイオン化することができる。
3. 電離段階では一定の磁場が印加されるため、電離プロセスでは、イオンサイクロトロン共鳴（ICR）、電子サイクロトロン共鳴（ECR） 、低域混成振動など、磁化プラズマ中に存在する多数の共鳴のいずれかを利用して、高密度の低温プラズマを生成することができる。
4. 電離段階で生成された低温で高密度のプラズマは、その後、磁場強度の高い領域を拡散することによって加速段階へと移動する。
5. 加速段階では、不均一な静磁場と不均一な高周波電磁場が同時に印加される領域において、推進剤プラズマは磁化ポンドロモーティブ力によって加速される。

このスラスタ技術は、加速プロセスがホールパラメータやグリッドの電気的遮蔽によるプラズマ密度によって制限されないため、大きな推力密度を実現できます。さらに、ポンドロモーティブ力はすべてのプラズマ種を同じ方向に加速するため、このスラスタ技術は中和器を必要としません。無電極プラズマスラスタは本質的に多段式であるため、各段を個別に最適化したり、比推力と推力の差を一定に保ちながらスラスタの出力を調整したりすることができます。ポンドロモーティブ力の場は、不均一な高周波場と静磁場によって生成されるため、プラズマと電極の間にグリッドや接触がなく、スラスタの侵食や宇宙船の汚染といった問題のほとんどを回避できます。

無電極プラズマスラスタをベースとした推進システムは、大型静止衛星の軌道上昇に最適であり、軌道維持も可能であるため、推進剤の大幅な節約につながる。この技術は高い推力密度を実現できるため、外惑星へのミッションをより迅速に行うことも可能となる。

プラズマを加速するためのポンドロモーティブ力の使用は、最近プリンストン・プラズマ物理研究所の科学者であるIY Dodin、Y. Raitses、NJ Fischによって理論的な観点から研究されました。^{[ 2 ]}

イオンと電子が同じ平均終端速度で同じ方向に移動するため、二重層構造は電流を流さないとしても、このようなスラスタに二重層が存在するかどうかという議論の的となっている問題について、いくつかの理論的な研究も報告されている。電流を流さない二重層の存在については、プラズマ物理学者の間で依然として議論が続いている。

• 無電極プラズマ励起
• 無電極ランプ

• この技術に関するAIAA論文
• エルウィング社によるこの技術に関する記事、プレゼンテーション、特許の一覧