磁気流体力学駆動

磁気流体力学駆動装置またはMHD加速器は、可動部品を使わず電界と磁界のみを使用して車両を推進する方法であり、導電性推進剤（液体または気体）を磁気流体力学で加速します。流体は後方に向けられ、その反応として車両は前方に加速します。^{[1] [2]}

海洋推進の分野でMHDを研究する研究は1950年代後半に始まった。^{[3] [4] [5] [6] [7]}

海水の電気伝導率が低いという制限により、大規模な海洋プロトタイプはほとんど建造されていない。電流密度の増加は電極付近でのジュール熱と水の電気分解によって制限され、磁場強度の増加は電磁石のコスト、サイズ、重量（および技術的な制限）とそれらに供給できる電力によって制限される。^{[8] [9]} 2023年にDARPAは、磁場強度20テスラに達すると予想される超伝導磁石を使用して海洋エンジンを構築するPUMPプログラムを開始した。^[10]

空気呼吸MHD推進（周囲の空気がイオン化される）にはより厳しい技術的制限が適用され、それはまだ理論的概念と初期の実験に限定されています。^{[11] [12] [13]}

宇宙探査用の磁気流体力学を利用したプラズマ推進エンジンも、電磁推進が高推力と高比推力を同時に提供し、推進剤が化学ロケットよりもはるかに長持ちすることから、積極的に研究されている。^[14]

動作原理は、電流（2つの電極間に印加された電界によって加速される電荷​​キャリアの運動）と垂直磁場の外積から生じるローレンツ力によって、導電性流体（液体またはプラズマと呼ばれるイオン化ガス）が加速されるというものです。ローレンツ力は、正と負の電荷粒子すべてを（反対 方向に）加速します。正または負の電荷粒子のいずれかが優勢になると、車両は正味電荷と反対方向に動きます。

これは、MHD ドライブでは固体の可動ローターが推進剤として直接作用する流体に置き換えられていることを除けば、電気モーター(より正確にはリニア モーター)と同じ動作原理です。すべての電磁気デバイスと同様に、MHD アクセラレータは可逆的です。周囲の作動流体が磁場に対して相対的に動いている場合、電荷分離によって電位差が生じ、これを電極で利用できます。すると、このデバイスは可動部品のない電源として機能し、流入する流体の運動エネルギーを電気に変換します。これをMHD ジェネレータと呼びます。

MHD コンバータのローレンツ力は、単一の孤立した荷電粒子や固体電線内の電子に作用するのではなく、運動している連続的な電荷分布に作用するため、単位体積あたりの力である「体積力」です。

${\displaystyle \mathbf {f} =\rho \mathbf {E} +\mathbf {J} \times \mathbf {B} \,\!}$

ここで、fは力密度（単位体積あたりの力）、ρ は電荷密度（単位体積あたりの電荷）、Eは電場、Jは電流密度（単位面積あたりの電流）、Bは磁場です。^{[説明が必要]}

MHD スラスタは、電磁場の動作方法に応じて 2 つのカテゴリに分類されます。

• 一対の電極間に電圧を印加し、磁場が一定である状態で流体に直流電流が流れる伝導装置。
• 誘導装置は、急速に変化する磁場によって交流電流が渦電流として誘導される場合に使用されます。この場合、電極は必要ありません。

誘導 MHD 加速器は電極がないため、伝導システムに関連する一般的な問題 (特にジュール熱、電気分解による気泡および酸化還元) は発生しませんが、動作にははるかに強力なピーク磁場が必要です。このような推進装置の最大の問題の 1 つは、搭載可能なエネルギーが限られていることであるため、誘導 MHD ドライブは研究室外で開発されていません。

どちらのシステムも、次の 2 つの主な設計に従って作動流体を動かすことができます。

• 内部流：流体が管状またはリング状の断面を持つノズル内で加速され、ノズルから押し出される際、MHD 相互作用がパイプ内に集中します（ロケットエンジンやジェット エンジンと同様）。
• 外部流は、流体が車両の濡れた領域全体の周囲で加速され、電磁場が車両本体の周囲に広がるときに発生します。推進力は、シェル上の圧力分布によって生じます (翼の揚力や、ゾウリムシなどの繊毛微生物が周囲の水を動かす方法など)。

内部フローシステムは、MHD相互作用を限られた体積に集中させ、ステルス特性を維持します。対照的に、外部フィールドシステムは、周囲の水量の非常に広い範囲に高い効率で作用する能力と、抗力を減らす能力を備えており、効率をさらに高めます。^[15]

MHDには可動部品がないため、優れた設計は静かで信頼性が高く、効率的です。さらに、MHD設計では、エンジンで直接駆動されるプロペラにより、ドライブトレインの摩耗や摩擦の多くの部分が排除されます。現在の技術の問題点は、エンジンで駆動されるプロペラに比べて高価で速度が遅いことです。^{[8] [9]}余分な費用がかかるのは、エンジンで駆動しなければならない大型発電機によるものです。エンジンがプロペラを直接駆動する場合、このような大型発電機は必要ありません。

最初のプロトタイプは、全長3メートル（10フィート）のEMS-1潜水艦で、1966年にカリフォルニア大学サンタバーバラ校の機械工学教授スチュワート・ウェイによって設計・テストされた。ウェイはウェスティングハウス・エレクトリックでの仕事を休職し、学部4年生の学生に実用ユニットの製作を命じた。このMHD潜水艦は、0.015テスラの磁場を生成する電極と電磁石に電力を供給する電池で作動した。カリフォルニア州サンタバーバラ湾でのテスト中の巡航速度は、理論予測通り毎秒約0.4メートル（毎秒15インチ）だった。^{[16] [17] [18] [15]}

その後、日本の試作機である全長3.6メートルの「ST-500」は1979年に最高速度0.6メートル/秒を達成した。^[19]

1991年、シップ・アンド・オーシャン財団（後に海洋政策研究財団として知られる）による6年間の研究開発（R＆D）を経て、世界初のフルサイズの試作船「ヤマト1号」が日本で完成しました。この船は1992年6月に神戸港で10人以上の乗組員を乗せ、最高時速15km（8.1ノット）で航行することに成功しました。^{[2] [20]}

その後、小規模な船舶模型が製作され、実験室で広範囲に研究され、船舶の終端速度の測定値と理論的予測との比較に成功しました。^{[8] [9]}

水中MHD推進に関する軍事研究には、高速魚雷、遠隔操作型水中車両（ROV）、自律型水中車両（AUV）、さらには潜水艦などの大型のものまで含まれている。^[21]

宇宙船の周囲の極超音速流とプラズマの相互作用に関する最初の研究は、1950 年代後半にさかのぼり、高速再突入時の宇宙カプセル用の新しいタイプの熱保護システムのコンセプトが提唱されました。低圧の空気はこのような非常に高い速度と高度で自然にイオン化されるため、電磁石によって生成される磁場の効果を利用して、熱アブレーション シールドを「磁気シールド」に置き換えることが考えられました。極超音速のイオン化された流れは磁場と相互作用し、プラズマに渦電流を誘導します。この電流は磁場と組み合わさって、流れに対抗するローレンツ力を与え、船首衝撃波を船体のさらに前方に分離し、よどみ点の後ろの空気の激しい再圧縮による熱流を低下させます。このような受動的な流れ制御の研究は現在も進行中ですが、大規模なデモンストレーターはまだ構築されていません。^{[22] [23]}

一方、MHD力場による能動的な流れ制御では、力を直接かつ強制的に作用させて気流を局所的に加速または減速させ、速度、方向、圧力、摩擦、熱流束パラメータを変更し、材料とエンジンをストレスから保護して極超音速飛行を可能にします。これは、作動流体がイオン化されて導電性（プラズマ）になる空気（液体ではなく気体）であるため、磁気流体力学、磁気空気力学、または磁気プラズマ空気力学とも呼ばれる磁気流体力学の分野です。

空気のイオン化は、高高度（パッシェンの法則に従って大気圧が低下すると空気の電気伝導率が上昇する）で、高 電圧アーク放電、RF（マイクロ波）、電磁グロー放電、レーザー、電子ビームまたはベータトロン、放射性物質など、さまざまな技術を使用して達成されます。イオン化ポテンシャルの低い アルカリ物質（セシウムなど）を流れに添加する場合としない場合があります。 ^{[24] [25]}

航空学に応用された MHD 研究は、極超音速飛行機の領域をより高いマッハ領域まで拡張しようとしています。

• 層流が乱流になるのを防ぐ境界層への作用。^[26]
• 衝撃波の緩和による熱制御と波抵抗および形状抵抗の低減。いくつかの理論的研究によると、航空機の濡れた部分のどこでも流速を制御できるため、十分なパワーを使用すると衝撃波を完全に打ち消すことができる可能性がある。^{[27] [28] [29]}
• 入口流量制御。^{[25] [30] [31]}
• スクラムジェットに空気を供給するために、排気ノズルの下流にMHD加速器と組み合わせたMHD発電機セクションを使用して上流の気流速度を低下させ、発電機からMHDバイパスシステムを介して電力を供給します。^{[32] [33] [34] [35]}

ロシアのプロジェクト「アヤックス（Ajax）」は、MHD制御の極超音速航空機コンセプトの一例である。^[13]極超音速MHDバイパスシステム、極超音速車両電力システム（HVEPS）を設計するための米国のプログラムもある。ジェネラルアトミックス社とテネシー大学宇宙研究所が開発し、米国空軍研究所がスポンサーとなった実用的なプロトタイプが2017年に完成した。^{[36] [37] [38]}これらのプロジェクトは、新世代の高速車両用のMHD加速器に電力を供給するMHD発電機の開発を目的としている。このようなMHDバイパスシステムは、スクラムジェットエンジンを中心に設計されることが多いが、設計がより簡単なターボジェットも検討されている。^{[39] [40] [41]亜音速}ラムジェットも同様である。^[42]

このような研究は、非熱的弱電離ガスを用いた磁気レイノルズ数≪ 1の抵抗性 MHDの分野を対象としており、液体中の MHD の場合よりも実証装置の開発がはるかに困難になっています。磁場を伴う「冷たいプラズマ」は、臨界ホールパラメータで発生する電熱不安定性の影響を受けやすく、本格的な開発が困難です。^[43]

MHD推進は、水中（浮力のため）でも宇宙空間（無重力のため）でも地球の重力に対抗する揚力を生成する必要がないため（大気圏内の飛行の場合は不要）、海洋船と宇宙船の両方の主な推進システムとして考えられてきました。

それでも、電力源の現在の問題が解決されていることを考慮すると（たとえば、まだ実現されていない数メガワットの小型核融合炉が利用可能であることなど）、MHD加速器で静かに駆動され、数トンを持ち上げられるほどの空気をイオン化して下方に導くことができる、将来的には新しい種類の航空機を想像することができます。外部フローシステムが濡れた領域全体の流れを制御し、高速での熱の問題を制限するため、周囲の空気はイオン化され、軸対称の物体（円筒、円錐、球などの形状）の周りのローレンツ力によって放射状に加速されます。機体全体がエンジンです。揚力と推力は、コアンダ効果によって引き起こされる上部表面と下部表面の圧力差の結果として発生します。^{[44] [45]}反対側のこのような圧力差を最大化するために、また最も効率的なMHDコンバータ（高いホール効果を持つ）はディスク形状であるため、このようなMHD航空機は、両凸レンズの形状になるように平らにすることが望ましいでしょう。翼も空気吸入ジェットエンジンも持たないため、従来の航空機との類似点はないが、回転翼を「純粋な電磁ローター」に置き換えたヘリコプターのように動作し、可動部がなく、空気を下方に吸い込む。このようなMHDディスク飛行の概念は、1970年代半ばから主に物理学者のLeik MyraboによるLightcraft ^[46] [ ^{47] [48] [49] [50]}、Subrata RoyによるWingless Electromagnetic Air Vehicle (WEAV) ^{[51] [52] [53]で査読済み文献で開発されてきた。}

これらの未来的なビジョンは、現代の技術では実現できないものであるにもかかわらず、メディアで宣伝されてきた。^{[54] [11] [55]}

宇宙船の推進力に関する実験方法の多くは、磁気流体力学に基づいています。この種の MHD 推進力は、プラズマ (イオン化ガス) の形の圧縮性流体を使用するため、磁気ガス力学または磁気プラズマ力学とも呼ばれます。

このような電磁スラスタでは、作動流体はほとんどの場合、イオン化されたヒドラジン、キセノン、またはリチウムです。使用する推進剤に応じて、カリウムやセシウムなどのアルカリをシードして電気伝導性を向上させることができます。正イオンと負イオンから自由電子、衝突の影響による中性原子まで、プラズマ内のすべての荷電種は、磁場と直交電場の組み合わせから生じるローレンツ「体積」力によって同じ方向に加速されます (そのため、「クロスフィールドアクセラレータ」と呼ばれます)。これらのフィールドは加速の方向にはありません。これが、高電圧電場に沿ったクーロン力を使用して正イオンのみを加速するために静電気に依存するイオンスラスタとの基本的な違いです。

クロスフィールドプラズマ加速器（正方形のチャネルとロケットノズル）に関する最初の実験研究は1950年代後半にさかのぼります。このようなシステムは、従来の化学ロケットや現代のイオンドライブよりも大きな推力と高い比推力を提供しますが、必要なエネルギー密度が高くなります。^{[56] [57] [58] [59] [60] [61]}

クロスフィールド加速器の他に現在研究されている装置には、ローレンツ力加速器 (LFA) と呼ばれることもある磁気プラズマ動力学スラスタや、無電極パルス誘導スラスタ(PIT) などがあります。

現在でも、これらのシステムは宇宙に打ち上げる準備が整っていません。なぜなら、電力を大量に消費する電磁石、特にパルス誘導電磁石に電力を供給するのに十分なエネルギー密度を提供する適切な小型電源 (仮想の核融合炉など)がまだないためです。また、強力な熱流による電極の急速な消耗も懸念事項です。これらの理由から、この種のスラスタの最初の研究から 60 年以上経過しているにもかかわらず、研究は主に理論的なものであり、実験は依然として研究室で行われています。

作家クライヴ・カッスラーの『オレゴン ファイルズ』シリーズに登場する船、オレゴンには磁気流体力学の駆動装置が搭載されている。これにより、船は数マイル滑走する代わりに、急旋回して瞬時にブレーキをかけることができる。『ヴァルハラ ライジング』では、クライヴ・カッスラーはネモ船長のノーチラス号の動力に同じ駆動装置を使っていると書いている。

映画化された『レッド・オクトーバーを追え』は、潜水艦用の「キャタピラー駆動」として磁気流体駆動を普及させた。これは潜水艦戦でステルス性を実現することを目的とした、ほとんど検知されない「サイレント駆動」である。実際には、水中を流れる電流によってガスと騒音が発生し、磁場によって検知可能な磁気シグネチャが誘発される。映画では、この音が地質活動と混同される可能性があることが示唆された。映画化の元となった小説では、レッド・オクトーバーが使用したキャタピラーは実際にはいわゆる「トンネル駆動」タイプのポンプジェットであった（トンネルはプロペラのキャビテーションに対する音響カモフラージュを提供した）。

ベン・ボヴァの小説『The Precipice』では、いくつかの出来事が起こった宇宙船、スターパワー1号は、小惑星帯の探査と採鉱が実行可能であり、潜在的に利益をもたらすことを証明するために建造され、核融合発電所に結合された磁気流体力学駆動装置を備えていた。

• 電気流体力学
• ローレンツ力は、電場と磁場を推進力に関係づける

• 1分で磁気流体力学推進を実演