レーザー推進

レーザー推進はビーム駆動推進の一種で、エネルギー源は遠隔地（通常は地上）のレーザーシステムであり、反応質量とは別です。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 固体または液体の推進剤から得ら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。レーザー源が宇宙船の外部にあるオフボードと、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です。レーザー駆動の打ち上げやレーザー光帆を含むオフボードレーザー推進では、宇宙船が独自のエネルギー源を運ぶ必要がなくなります。^{[1]オンボードレーザー推進では、推進のために}核融合または電離星間ガスのレーザーを使用します。 ^[1]

光子推進「帆」推進システムの基礎となる概念は、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た。レーザーエネルギーロケットを使用した推進概念は、1970年代にアーサー・カントロウィッツとヴォルフガング・モーケルによって開発され、^[2]レーザーアブレーションを使用した変種はライク・ミラボによって開拓された。^[3]カントロウィッツのレーザー推進のアイデアに関する解説は1988年に出版された。^[4]

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。最初の方法は、光子の 放射圧を使用して運動量を伝達するもので、ソーラーセイルとレーザーセイルの原理です。2 番目の方法は、従来のロケットと同様に、レーザーを使用して宇宙船から質量を排出します。したがって、最初の方法では、エネルギーと反応質量の両方にレーザーを使用し、2 番目の方法では、エネルギーにレーザーを使用しますが、反応質量を運びます。したがって、2 番目の方法では、最終的な宇宙船の速度がロケット方程式によって基本的に制限されます。

レーザー推進式光帆は、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る。光帆推進の利点は、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、高速度達成に対するツィオルコフスキーロケット方程式の制限を回避できることである。レーザー推進式光帆の使用は、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、1966年にマルクスによって最初に提案され、 ^[5] 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た。 ^[6] この概念の更なる分析は、ランディス、[ ^{7 ]}マロブとマトロフ、^[9]アンドリュース^[10]らによって行われた。

回折により帆を逸れる部分がごくわずかとなるように、ビームの直径を大きくする必要があり、また、宇宙船はビームの中心を追従するのに十分な速さで帆を傾けることができるように、強力な指向安定性を備えている必要があります。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に移行する場合や、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に移行する場合など、ミッションの複雑さが増すにつれて重要性が増します。

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ている場合もあります。

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の星間探査機を推進する方法として提案されている。

はるかに大きな宇宙船を高速で移動させる別の方法は、レーザー システムを使用して、はるかに小さな帆の流れを推進することです。各代替ミニ帆は、ホーム システムからのレーザーによって減速され、イオン化速度で衝突します。その後、イオン化衝突を利用して、宇宙船の強力な磁場と相互作用し、宇宙船に動力を与えて移動させます。

このアイデアの延長として、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、伝達される力の規模を大幅に増加させます。ただし、このアプローチでは、非核実装に比べてはるかに高い衝突速度が必要になります。

メッツガーとランディスは、レーザー推進帆のバリエーションを提案した。これは、帆から反射された光子を固定ミラーで再反射して帆に戻すことで再利用する、「マルチバウンスレーザーベースの帆」である。^[11] これは、光子をリサイクルすることで生成される力を増幅し、同じレーザー出力から生成される力が大幅に増加する。また、レーザー生成システムの周囲に大きなフレネルレンズを使用するマルチバウンス光子帆構成もある。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、フレネルレンズを介して反射して、反対方向に進むより大きくて重い反射プローブで反射される。レーザー光は何度も前後に反射して伝達される力を向上させるが、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留まることができる。

光空洞では光子の再利用性が高まるが、ビームを空洞内に維持することがはるかに困難になる。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、ミラーのわずかな動きでも共鳴条件が破壊され、光子推力がゼロになる。このような光空洞は、ミラーの動きに非常に敏感であることから、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、光子リサイクルをナノメートル精度の衛星編隊飛行に使用することを提案した^{[ 12]} 。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たアクティブ光空洞では、光子リサイクルがミラーの動きに対して敏感でなくなることを発見した [13]。Bae は、アクティブ光空洞での光子リサイクルに基づいて、このレーザー推進装置を Photonic Laser Thruster (PLT) と名付けた。^[14] 2015年に彼のチームは、500Wの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の光子リサイクル数と最大3.5mNの光子推力を実証しました。実験室でのデモンストレーションでは、^[15]キューブサット（重量0.75kg）がPLTで推進されました。^[16]

レーザー推進にはいくつかの形式があり、レーザーはロケットに搭載された推進剤に勢いを与えるエネルギー源として使用されます。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（熱交換器（HX）スラスタ）は、外部レーザービームによって提供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。 ^{[17] [18]} 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される。これは、原理的には核熱推進や太陽熱推進に似ている。大きな平らな熱交換器を使用すると、光学機器をロケットに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る。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（通常は1000～2000℃）に制限される。与えられた温度では、最小分子量の反応物質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、原理的には単段式宇宙船が低軌道に到達できるほど高い。HXレーザー推進装置のコンセプトは、1991年にJordin Kareによって開発され、 ^[19]同様のマイクロ波熱推進コンセプトは、 2001年に CaltechのKevin L. Parkin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は、軌道上の資産のための冗長安全概念として、ジョン・シンコ教授とクリフォード・シュレヒト博士によって提案されました。^[20]封入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、各パケットから排気チャネルが宇宙飛行士またはツールの反対側まで伸びています。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ック内の推進剤を気化します。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光源の方へ引き寄せます。接近を阻止するために、2番目の波長を使用して、推進剤パケットの手前側の外側を除去します。

2022年にマギル大学の研究者らによって、 45日間で宇宙船を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が発表されました。^{[21]提案されているレーザー熱推進システムを宇宙船を}火星に送るために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で、宇宙線への宇宙飛行士の被ばくを減らすことです。^[22]

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。チューブは内部が非常に反射性が高く、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、待機している可動式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、鏡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性の鏡では数百万gの加速が可能で、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、数千の特定のインパルスが可能になります。 ^[要出典]たとえば、ミラーディスクが 200 万 g で 10 メートル以上加速されると、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 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、完全に破損すると計算しました。^[23]この推進設計は、地球の軌道から直接出て行く宇宙船や、楕円軌道で地球に戻ってくる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（ALP）は、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やし、推力を生成するビーム駆動推進の一種です。^[24]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、 Leik Myraboによって開発され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。

パルスレーザーによる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さなレーザーで姿勢制御や操縦のために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、および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を研究している。^{[25] [26]}

ガス内またはガスに囲まれた固体表面に集中した高エネルギーパルスは、ガス（通常は空気）の崩壊を引き起こす。これにより、衝撃波が発生し、衝撃波の前面でレーザーエネルギーを吸収する（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背面の高温プラズマが膨張し、機体に運動量が伝達される。^{[27] [28]}空気を作動流体として使用するパルスプラズマ推進は、空気呼吸レーザー推進の最も単純な形式である。^{[29] [30]}レンセラー工科大学（RPI）のライク・マイラボとフランク・ミードが開発した記録破りのライトクラフトは、この原理に基づいている。^{[31] [32] [33]}

パルスプラズマ推進のもう一つの概念は、堀澤秀之教授によって研究されている。^[34]

流れるガス流に焦点を合わせ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、これがガスを加熱する。その後、高温のガスは従来のノズルを通って膨張し、推力を生み出す。プラズマはエンジンの壁に触れないため、ガスコア核熱推進の場合のように、非常に高いガス温度が可能となる。しかし、高い比推力を達成するには、推進剤は低分子量でなければならない。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る。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焦点を合わせなければならないことである。CWプラズマ推進実験は、1970年代から1980年代にかけて、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た。

この提案には2機の宇宙船が必要である。1機は移動する宇宙船で、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最初の宇宙船に発射する。2機目は最初の宇宙船にレーザーを発射するか、地球から最初の宇宙船にレーザーを向ける。レーザーは各ペレットからいくらかの物質を除去し、それらを高速（>120 km/s）で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）を推進することもできる。^{[35] [36]}

レーザー ビームのパワーが電気に変換され、それが何らか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。 ^[37]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。^[38]

宇宙船の場合、レーザー電気推進は、宇宙での低推力推進のための太陽電気推進や原子力電気推進の競合相手と考えられています。しかし、ライク・ミラボは、磁気流体力学を使用してレーザーエネルギーを電気に変換し、推進力を得るために機体の周囲の空気を電気的に加速する、高推力レーザー電気推進を提案しています。

• エレベーター:2010
• レーザー記事一覧
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• ロケット推進技術（曖昧さ回避）

ウィキメディア・コモンズには、レーザー推進に関連するメディアがあります。

• YouTubeのレーザー駆動推進に関する NASA のビデオ
• レーザー NASP 輸送技術の可能性に関する調査。NASA/USRA 先進設計プログラム第 6 回夏季会議議事録。NASA。1990 年 6 月。
• HX打ち上げシステムに関するNIACの研究の最終報告書
• 「ALP について説明したオリジナルの論文」(PDF)。2006 年 8 月 9 日にオリジナル(PDF)からアーカイブされました。