プラズマ推進エンジン

プラズマ推進エンジンは、準中性プラズマから推力を生成する電気推進の一種です。これは、プラズマ源からイオン電流を抽出して推力を発生させ、グリッド/アノードを使用して高速に加速するイオンスラスタエンジンとは対照的です。これらはさまざまな形式で存在します（電気推進を参照）。ただし、科学文献では、「プラズマスラスタ」という用語は、通常「イオンエンジン」と呼ばれるスラスタを含む場合があります。^[1]

プラズマスラスタは通常、プラズマ内の荷電粒子を加速するために高電圧グリッドや陽極/陰極を使用せず、代わりに内部で生成される電流と電位を使用してイオンを加速します。その結果、高加速電圧がないため、排気速度は低くなります。

このタイプのスラスタには、多くの利点がある。高電圧グリッドの陽極がないため、グリッドイオンの浸食による制限要素がなくなる。プラズマ排気は「準中性」であり、正イオンと電子が同数存在するため、排気中の単純なイオン電子再結合によって排気煙を中和することができ、電子銃（中空陰極）が不要になる。このようなスラスタは、多くの場合、外部アンテナを使用して、無線周波数またはマイクロ波エネルギーを使用してソースプラズマを生成します。この事実と、中空陰極（希ガス以外のすべてに敏感）が存在しないことから、アルゴンから二酸化炭素空気混合物、宇宙飛行士の尿まで、さまざまな推進剤にこのスラスタを使用できる可能性があります。^[2]

プラズマエンジンは比推力が高いため、惑星間ミッションに適しています。 ^[3]

プラズマ推進システムを開発したのは欧州宇宙機関、イラン宇宙機関、オーストラリア国立大学など多くの宇宙機関であり、オーストラリア国立大学は二重層スラスタを共同開発した。^{[4] [5]}

いくつかのプラズマエンジンは実際に飛行し、ミッションで使用されたことがある。プラズマエンジンが初めて使用されたのは、姿勢制御システムのアクチュエーターとして機能する6つのPPTを搭載したソ連のゾンド2宇宙探査機のパルスプラズマスラスタであった。PPT推進システムは、1964年12月14日に宇宙船が地球から420万キロ離れたときに70分間テストされた。^[6]

2011年、NASAはブセック社と提携し、初のホール効果スラスタをTacsat-2衛星に搭載して打ち上げた。スラスタは衛星の主な推進システムであった。同社はその年に別のホール効果スラスタを打ち上げた。^{[7] 2020年には、}武漢大学がプラズマジェットに関する研究を発表した。^[8] しかし、その研究で発表された推力推定値は、入力マイクロ波電力の100％が推力に変換されたとしても、理論的に可能なレベルのほぼ9倍であることがその後示された。^[9]

Ad Astra Rocket Company がVASIMR を開発しています。カナダの会社Nautel は、推進剤をイオン化するために必要な 200 kW の RF ジェネレータを製造しています。一部のコンポーネント テストと「プラズマ シュート」実験は、コスタリカのリベリアにある研究所で行われています。このプロジェクトは、元 NASA 宇宙飛行士のFranklin Chang-Díaz博士(CRC-USA) が主導しています。

コスタリカ航空宇宙同盟は、国際宇宙ステーションの外部に取り付けられるVASIMRの外部サポートの開発を発表した。宇宙でVASIMRをテストする計画のこの段階は、2016年に実施される予定だった。

プラズマエンジンは、他のほとんどのロケット技術よりもはるかに高い比推力（I _sp）値を持っています。VASIMRスラスタは12000秒を超える推力に調整でき、ホールスラスタは約2000秒を達成しています。これは、比推力が約450秒である従来の化学ロケットの二液推進剤燃料に比べて大幅に改善されています。^[10]高い推力により、プラズマスラスタは長時間の加速で比較的高い速度に達することができます。元宇宙飛行士のフランクリン・チャンディアスは、 VASIMRスラスタは、最大速度34マイル/秒（55 km/秒）に達しながら、わずか39日でペイロードを火星に送ること^{ができると主張しています。 [ 11 ]}

ミニヘリコンなどの特定のプラズマスラスタは、そのシンプルさと効率性が高く評価されています。その動作原理は比較的単純で、さまざまなガスまたはその組み合わせを使用できます。

これらの特性はプラズマスラスタが多くのミッションプロファイルに価値があることを示唆している。^[12]

プラズマスラスタの実現可能性に対する最大の課題は、おそらくエネルギー要件です。^[5]たとえば、VX-200エンジンは、5Nの推力、つまり40kW/Nを生成するために200kWの電力を必要とします。この電力要件は核分裂炉で満たすことができますが、原子炉の質量（熱除去システムを含む）が法外な場合があります。^{[13] [14]}

もう一つの課題はプラズマによる侵食です。作動中にプラズマがスラスタ空洞の壁と支持構造を熱的にアブレーションし、最終的にはシステムの故障につながる可能性があります。^[15]

プラズマエンジンは推力が極めて低いため、地球周回軌道への打ち上げには適していません。平均すると、これらのロケットは最大約2ポンドの推力を提供します。^[10]プラズマスラスタは宇宙空間では非常に効率的ですが、化学ロケットの軌道費用を相殺することはできません。

ヘリコンプラズマスラスタは、静磁場にさらされるとプラズマ内に存在する低周波電磁波（ヘリコン波）を使用する。ガス室を包むRFアンテナが波を作り、ガスを励起してプラズマを生成する。プラズマは高速で放出され、理想的なトポロジーの電場と磁場のさまざまな組み合わせを必要とする加速戦略によって推力を生み出す。これらは無電極スラスタのカテゴリに属します。これらのスラスタは複数の推進剤をサポートしているため、より長いミッションに役立ちます。これらはガラスのソーダボトルなどの簡単な材料で作ることができます。^[12]

磁気プラズマ動力学スラスタ(MPD)は、ローレンツ力(磁場と電流の相互作用から生じる力) を利用して推力を生成します。磁場の存在下でプラズマを流れる電荷により、プラズマが加速されます。ローレンツ力は、ほとんどのパルス プラズマ スラスタの動作にも不可欠です。

パルス誘導スラスタ(PIT) もローレンツ力を利用して推力を発生させますが、電極を使用しないため、侵食の問題が解決されます。プラズマ内のイオン化と電流は、急速に変化する磁場によって誘導されます。

無電極プラズマスラスタは、強力な電磁エネルギー密度勾配の影響下にあるプラズマまたは荷電粒子に作用する重力動力を 利用して、プラズマ電子とイオンを同じ方向に加速し、中和装置なしで動作し ます。

VASIMR（可変比推力磁気プラズマロケット）は、電波を使って推進剤をプラズマにイオン化する。磁場がエンジンからプラズマを加速し、推力を生み出す。200メガワットのVASIMRエンジンは、地球から木星または土星への移動時間を6年から14か月に、地球から火星への移動時間を6か月から39日に短縮することができる。^[7]

ウィキメディア・コモンズにはプラズマ推進エンジンに関連するメディアがあります。

• 磁気帆
• イオンスラスタ
• 宇宙飛行
• 無翼電磁航空機
• 電気駆動宇宙船の推進
• ロケット推進技術（曖昧さ回避）

• 宇宙におけるプラズマ推進 - AIP 2000 年 10 月
• ミニヘリコンプラズマスラスタ
• プラズマ共流ジェットを用いた翼上の流れ剥離制御
• 一対のプラズマアクチュエータによる細長い円錐状の前部胴体後方の渦流のダイナミクスと制御