マスドライバー

マスドライバーまたは電磁カタパルトは、ロケットを使用しない宇宙打ち上げ方法として提案されているもので、直線モーターを使用してペイロードを高速まで加速および射出する。既存および提案されているマスドライバーは、電気で励磁されたワイヤーコイルを使用して電磁石を生成するが、回転式マスドライバーも提案されている。^{[ 1 ]}電磁石の列を順次発射することで、ペイロードは経路に沿って加速される。

弾道ペイロードを推進するために使用される装置はすべて技術的にはマスドライバーですが、この文脈では、マスドライバーとは基本的に、ペイロードを収容する磁化可能なホルダーからなるパッケージを磁気的に加速するコイルガンを指します。ペイロードが加速されると、両者は分離し、ホルダーは減速されて次のペイロードのために再利用されます。あるいは、マスドライバーは、空母USSジェラルド・R・フォードに搭載されている電磁式航空機発射システム（EMALS）として使用されているリニア誘導モーターをベースとすることもできます。 

マスドライバーは、宇宙船の推進に3つの異なる方法で使用できます。地上に設置された大型のマスドライバーは、地球、月、または他の天体から宇宙船を遠ざけるために使用できます。小型のマスドライバーは、宇宙船に搭載されたロケットエンジンとして機能し、物質を宇宙空間に噴射して推進力を得ます。別の方法としては、月や小惑星にある巨大な施設から発射体を送り出し、遠方の宇宙船を支援するという方法もあります。

小型化されたマスドライバーは、化学燃焼を利用した従来の銃器や大砲と同様の方法で兵器としても使用できる。コイルガンとレールガンのハイブリッドであるヘリカルレールガンも可能である。^{[ 2 ]}

マスドライバーは動部品間の物理的な接触を必要としません。動的な磁気浮上によって発射体を誘導するため、固体電力スイッチングの場合には極めて高い再利用性を実現し、 理論的に は数百万回の発射に耐える機能寿命を持ちます。限界費用はそれに応じて低くなる傾向がありますが、初期開発および建設費用は、性能、特に発射体の意図する質量、加速度、および速度に大きく依存します。たとえば、ジェラード・オニールは1976年から1977年にかけて2000ドルの予算で最初のマスドライバーを製作し、発射体を40 m/s、33 gで発射する短いテストモデルを作成しましたが^{[ 3 ]}、 次のモデルでは同額の資金増加により加速度が桁違いに向上し^{[ 4 ]} 、数年後、テキサス大学の研究者は、10キログラムの発射体を6000 m/sで発射するマスドライバーの費用は4700万ドルになると推定しました^{[ 5 ] [ 6 ] 。}  

一定のエネルギー量の場合、重い物体は比例して遅くなります。軽量の物体は 20  km/s 以上で発射される可能性があります。一般的に限界は、十分に速く放電できるエネルギー貯蔵のコストと、半導体または気相スイッチによる電力スイッチングのコストです (これらは依然として極限パルス電力アプリケーションでニッチな用途があります)。^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]} ただし、エネルギーは超伝導コイルに誘導的に蓄積できます。超伝導コイルで作られた 1 km の長さのマスドライバーは、20 kg の車両を 80% の変換効率で 10.5 km/s まで 加速し、平均加速度は 5,600 g になります。^{[ 10 ]}  

スター・トラム構想のような、地球を拠点とする質量推進装置で宇宙船を軌道に乗せるには、相当な資本投資が必要となるだろう。 ^{[ 11 ]}地球の比較的強い重力と比較的厚い大気のため、実用的な解決策の実現は困難である。また、考えられる発射場所のほとんどすべては、頻繁に飛行機が行き交う航空路を通って宇宙船を飛ばすことになるだろう。このような発射によって発生する大規模な乱気流のため、その地域で運航する他の航空機の安全を確保するには、相当な航空交通管制措置が必要となるだろう。

ほとんどの本格的なマスドライバー設計では、合理的なエネルギー効率（設計によって50%から90%以上になることが多い）を達成するために超伝導コイルが使用されています。^{[ 12 ]}装置には、ペイロードとして超伝導バケットまたはアルミニウムコイルが含まれる場合があります。マスドライバーのコイルは、ペイロードのアルミニウムコイルに渦電流を誘導し、結果として生じる磁場に作用します。マスドライバーには2つのセクションがあります。最大加速部分では、コイルが一定の間隔で配置され、コイル電流がバケットに同期されます。このセクションでは、速度が増加するにつれて加速が増加し、バケットが耐えられる最大速度まで増加します。その後、一定加速領域が始まります。この領域では、単位時間あたり一定量の速度増加を与えるために、コイルの間隔が徐々に広がります。

この方式に基づき、質量推進装置の使用に関する主要な提案の一つは、月面物質を宇宙居住施設に輸送し、太陽エネルギーを用いて処理することであった。^{[ 13 ]}宇宙研究研究所は、この応用が十分に実用的であることを示した。

設計によっては、ペイロードをバケットに保持してから放出することで、バケットを減速させて再利用できるようにするものもある。一方、使い捨てバケットであれば、軌道全体に沿って加速することができる。あるいは、月（または大気の少ない他の天体）の全周に沿って軌道を建設すれば、再利用可能なバケットの加速は軌道の長さに制限されない。ただし、乗客や貨物を非常に高速に加速させることを目的とする場合、そのようなシステムは相当な遠心力に耐えられるように設計する必要がある。 

宇宙船は、主エンジンとしてマスドライバーを搭載することができる。適切な電力源（おそらく原子炉）があれば、宇宙船はマスドライバーを用いてほぼあらゆる種類の物質を加速させ、その反作用として自らを逆方向に推進させることができる。反応質量が最小のスケールでは、この種の推進方式はイオンドライブと呼ばれる。

リニアモーターのサイズ、加速度、またはマズルエネルギーには絶対的な理論的限界は知られていません。ただし、出力対質量比、廃熱放散、供給および処理可能なエネルギー摂取量などの実用的な工学的制約が適用されます。排気速度は低すぎても高すぎてもいけません。^{[ 19 ]}

搭載されている宇宙船の電力が限られているため、あらゆるスラスタには、ミッションに依存する最適な排気速度と比推力の制限が存在する。排気による推力と運動量は、排出される単位質量あたり、速度に比例して増加する（運動量= mv）が、運動エネルギーとエネルギー入力要件は、速度の二乗に比例してより速く増加する（運動エネルギー= + 1 ⁄ 2 mv ²）。排気速度が低すぎると、ロケット方程式の下で必要な推進剤の質量が過度に増加し、まだ使用されていない推進剤の加速にエネルギーの大部分が費やされることになる。排気速度が高いと、利点とトレードオフの両方があり、推進剤の使用効率は向上する（排出される推進剤の単位質量あたりの運動量が増加する）が、利用可能な入力電力が一定の場合、推力と宇宙船の現在の加速率は低下する（推進剤に与えられるエネルギー単位あたりの運動量が減少する）。^{[ 19 ]}

マスドライバーのような電気推進方式は、推進剤自体からエネルギーを得ないシステムです。（これは、推進効率が排気速度と機体速度の比率によって変化する化学ロケットとは対照的ですが、反応する推進剤から放出されるエネルギーが最大となる場合、得られる最大比推力に近い値が設計目標となる傾向があります。）電気スラスタ自体の比推力は、オプションで、マスドライバーが微粒子用の光速に近い排気速度を持つ粒子加速器に合流する範囲まで達する可能性がありますが、宇宙船の原子炉や電源から得られるエネルギーが限られている場合、はるかに遅い宇宙船を加速するために極端な排気速度を使用しようとすると、推力が最適値以下になる可能性があります（これは、搭載された電力をスポットライトの列に供給するのと似たようなもので、光子は運動量とエネルギーの比率が極めて低い例です）。^{[ 19 ]}

例えば、仮想宇宙船が輸送できるペイロードの量を制限する主な要因が、エンジンに供給される機上電力の制限である場合（例えば、地球外の土壌や氷の使用による推進剤の経済的コストが小さい場合）、一定の比推力で動作する場合、理想的な排気速度は総ミッションデルタvの約62.75%になるだろう。ただし、ミッションプロファイル中に排気速度を変化させることで、より大きな最適化が可能になる場合もある（質量駆動装置や可変比推力マグネトプラズマロケットなど、一部のスラスタタイプで可能なように）。^{[ 19 ]}

質量駆動装置は、宇宙船を動かすための反応質量としてあらゆる種類の質量を利用できるため、発見された資源から反応質量を回収する深宇宙探査機には、質量駆動装置、あるいはその派生型が理想的であるように思われる。

マスドライバーの潜在的な欠点の1つは、危険なほど高速で移動する固体反応物質を、有用な軌道や交通路に送り込んでしまう可能性があることです。この問題を克服するために、ほとんどの計画では微細なダストを噴射することを想定しています。あるいは、液体酸素を反応物質として使用し、放出後に分子状態にまで凝縮させることも可能です。反応物質を太陽脱出速度まで加速させることも、それが危険な状態にならないようにするためのもう1つの方法です。

宇宙船に搭載されたマスドライバーは、静止したマスドライバーから質量を「反射」するために使用できます。質量の減速と加速はそれぞれ、宇宙船の運動量に寄与します。軽量で高速な宇宙船は、反応質量を搭載する必要がなく、電子機器の損失を補うのに必要な量以上の電力は必要ありません。一方、固定されたサポート施設は、必要に応じて宇宙船よりもはるかに大きな発電所で稼働できます。これは、ビーム推進の一形態（粒子ビーム推進マグセイルのマクロスケール版）と考えることができます。同様のシステムは、別の推進システムに電力を供給するために、燃料ペレットを宇宙船に供給することもできます。^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]}

この推進概念のもう一つの理論的な応用例は、宇宙噴水に見られる。これは、円形の軌道上を連続的に流れるペレットによって、高い構造物を支えるシステムである。

小型から中型の高加速度電磁式発射装置は、現在、地上または艦載兵器（多くの場合レールガンだが、場合によってはコイルガン）として米国海軍によって活発に研究されている^{[ 24 ]}。現在配備間近だが、長期的な将来予測で提案されることもある兵器よりも大規模なものとして、十分高速のリニアモーター、マスドライバーは、理論的には大陸間砲として使用できる（または、月面または軌道上に構築された場合は、地球表面の地点を攻撃するために使用できる）。^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]}マスドライバーは理論上の標的よりも重力井戸のさらに上に位置するため、反撃に関して大きなエネルギー不均衡を享受することになる。

「電気銃」に関する最初の工学的記述の1つは、プリンストン大学の物理学者で電気事業家のエドウィン・フィッチ・ノースラップのペンネームである「アッカド・プセウドマン」 ^{[ 28 ]}による1937年のSF小説「ゼロ・トゥ・エイティ」の技術付録に掲載されている。ノースラップ博士はkHz周波数の三相発電機で駆動するコイル銃の試作機を製作し、この本にはこれらの試作機の写真がいくつか掲載されている。この本では、ノースラップの電気銃で発射された2人乗りの乗り物による架空の月周回航海が描かれている。

1976年以降、質量駆動装置のプロトタイプがいくつか製造され（質量駆動装置1）、その一部は米国宇宙研究所によって、その特性と実用性を実証するために製造された。 コイルガンに関する軍事研究開発や磁気浮上式鉄道もこれに関連している。

2014年に設立されたSpinLaunch社は、2021年10月にテスト用アクセラレータの初期テストを実施した。^{[ 29 ]}

• コイルガン– コイルを用いて電磁的に発射体を加速させる砲 
• 電磁式航空機発射システム– 米海軍向けに開発された航空機発射システム 
• 電磁カタパルト– 航空機発射システム 
• らせんレールガン– 回転数に等しい係数で電流を低減する多回転レールガン 
• 発射ループ– 物体を軌道に投入するための提案システム 
• 軽ガス銃
• プラズマレールガン
• レールガン– 電磁式発射装置 
• ラム加速器– エンジン外部で超音速燃料空気燃焼を利用する発射装置 
• 宇宙噴水– 真空管内のペレットを用いて宇宙船を発射することを目的とした、極めて高い塔。 
• 宇宙船の推進

• 電磁砲（2008年5月16日、Wayback Machineにアーカイブ）—MITにおけるリニアモーターの研究について説明したページ
• 月面物質の電磁打ち上げ
• 志賀、デイビッド（2006年10月3日） 「衛星を軌道に打ち上げる巨大な『発射リング』」ニュー・サイエンティスト。