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可変比推力マグネトプラズマロケット（VASIMR ）は、宇宙船の推進に利用できる可能性のある電気熱推進器として開発中です。電波を用いて不活性推進剤を電離・加熱してプラズマを生成し、磁場を用いて膨張するプラズマを閉じ込めて加速することで推力を発生させます。これはプラズマ推進エンジンであり、宇宙船の電気推進システムのいくつかのタイプのうちの1つです。[ 1 ]
プラズマ加熱のためのVASIMR方式は、もともと核融合研究中に開発されました。VASIMRは、高推力・低比推力の化学ロケットと低推力・高比推力の電気推進との間のギャップを埋めることを目的としていますが、まだ高推力は実証されていません。VASIMRの概念は、1977年に元NASA宇宙飛行士のフランクリン・チャン＝ディアスによって考案され、彼はそれ以来この技術を開発し続けています。[ 2 ]
VASIMRは、電気熱プラズマスラスタ／電気熱磁気プラズマスラスタの一種です。これらのエンジンでは、中性で不活性な推進剤が電波を用いてイオン化され加熱されます。生成されたプラズマは磁場によって加速され、推力を発生させます。関連する電気駆動型宇宙船推進方式としては、無電極プラズマスラスタ、マイクロ波アークジェットロケット、パルス誘導スラスタなどがあります。
推進剤であるアルゴンやキセノンなどの不活性ガスは、電磁石で覆われた中空シリンダーに注入される。エンジンに入ると、ガスはまずヘリコンRFアンテナ/カプラによって「低温プラズマ」に加熱される。このアンテナ/カプラは、 10～50MHzの周波数でガスに電磁エネルギーを照射し[ 3 ]、推進剤原子から電子を剥ぎ取り、イオンと自由電子のプラズマを生成する。RF加熱エネルギーとプラズマの量を変化させることで、VASIMRは低推力・高比推力の排気、または比較的高推力・低比推力の排気を生成できるとされている[ 4 ] 。エンジンの第2段階は、イオン化されたプラズマを導く強力なソレノイド構成の電磁石であり、従来のロケットエンジンの物理的なノズルのように収束・発散ノズルとして機能する。
イオンサイクロトロン加熱（ICH）セクションとして知られる第2の結合器は、エンジン内を通過するイオンと電子の軌道と共鳴する電磁波を放出します。共鳴は、エンジンのこの部分の磁場を減少させることでプラズマ粒子の軌道運動を遅くすることによって実現されます。このセクションはさらにプラズマを1,000,000 K（1,000,000 °C、1,800,000 °F）以上に加熱します。これは太陽表面温度の約173倍です。 [ 5 ]
エンジン内を通過するイオンと電子の経路は、エンジンの壁に平行な線に近似しますが、実際には粒子はエンジン内を直線的に移動しながらこれらの線の周りを軌道を描いて回ります。エンジンの最後の分岐部には、イオンと電子を最大50,000 m/s (180,000 km/h)の速度でエンジンから放出する膨張する磁場があります。[ 4 ] [ 6 ]
典型的なサイクロトロン共鳴加熱プロセスとは対照的に、VASIMRイオンは熱平衡分布に達する前に磁気ノズルから即座に放出されます。テキサス大学オースティン校のAlexey V. ArefievとBoris Breizmanによる2004年の斬新な理論的研究に基づくと、イオンサイクロトロン波のエネルギーのほぼすべてが、単一パスのサイクロトロン吸収プロセスで電離プラズマに均一に伝達されます。これにより、イオンは非常に狭いエネルギー分布で磁気ノズルから放出され、エンジン内の磁石配置が大幅に簡素化されコンパクトになります。[ 4 ]
VASIMRは電極を使用せず、プラズマをほとんどのハードウェア部品から磁気的に遮蔽することで、イオンエンジンの摩耗の主な原因である電極の侵食を排除しています。[ 7 ]非常に複雑な配管、高性能バルブ、アクチュエータ、ターボポンプを備えた従来のロケットエンジンと比較して、VASIMRには（ガスバルブなどの小さな部品を除いて）可動部品がほとんどなく、長期的な耐久性を最大限に高めています。[ 8 ]
Ad Astraによると、2015年時点で、VX-200エンジンは5Nの推力を 発生させるのに200kWの電力が必要であり、これは40kW/Nに相当する。[ 6 ]対照的に、従来のNEXTイオンスラスタはわずか7.7kWで0.327Nの推力を発生させ、これは24kW /Nに相当する。[ 6 ]電気的に言えば、NEXTはほぼ2倍の効率であり、2009年12月に48,000時間（5.5年）の試験を成功裏に完了した。[ 9 ] [ 10 ]
VASIMRでは、強力な磁場との相互作用や熱管理など、新たな問題も生じている。VASIMRの非効率的な動作は、熱過負荷や熱ストレスを発生させることなく除去する必要のある、相当量の廃熱を発生させる。高温プラズマを封じ込めるために必要な超伝導電磁石は、テスラ級の磁場[ 11 ]を発生させ、これが他の搭載機器に問題を引き起こしたり、磁気圏との相互作用によって不要なトルクを発生させたりする可能性がある。この後者の影響に対抗するために、2つのスラスタユニットを反対方向に磁場を向けてパッケージ化し、正味ゼロトルクの磁気四重極を形成することができる。[ 12 ]
最初の VASIMR 実験は1983 年にマサチューセッツ工科大学で行われた。1990 年代には重要な改良が導入され、当初想定されていたプラズマ銃とその電極に代わるヘリコンプラズマ源の使用などにより、耐久性と長寿命が向上した。[ 13 ]
2010年現在、アド・アストラ・ロケット・カンパニー（AARC）はVASIMRの開発を担当し、2005年6月23日にVASIMR技術を民営化するための最初の宇宙法協定に署名した。フランクリン・チャン・ディアスはアド・アストラの会長兼CEOであり、同社はコスタリカのリベリアにある地球大学のキャンパスに試験施設を持っていた。[ 14 ]
1998年、 ASPLで最初のヘリコンプラズマ実験が行われた。1998年のVASIMR実験10（VX-10）では最大10kWのヘリコンRFプラズマ放電が達成され 、2002年のVX-25では最大25kWが達成された。2005年までにASPLでは、50kW 、0.5ニュートン（0.1lbf ）推力のVX-50 による完全かつ効率的なプラズマ生成とプラズマイオンの加速が進展した。 [ 4 ] 50kWのVX-50に関する公表データでは、90%の結合効率と65%のイオン速度ブースト効率に基づき、電気効率は59%であることが示された。[ 15 ]
100キロワットのVASIMR実験は2007年までに正常に稼働し、100 eV未満の電離コストで効率的なプラズマ生成を実証した 。[ 16 ] VX-100のプラズマ出力は、以前のVX-50の記録の3倍になった。[ 16 ]
VX-100はイオン速度ブースト効率が80%になると予想されていたが、直流電流から高周波電力への変換と超伝導磁石の補助機器による損失のため、この効率を達成できなかった。[ 15 ] [ 17 ]対照的に、NASAの高出力電気推進（HiPEP）などの2009年の最先端で実績のあるイオンエンジン設計は、スラスタ/ PPUの 総エネルギー効率が80%で動作した。[ 18 ]
2008年10月24日、同社はプレスリリースで、 200kWのVX-200エンジンのヘリコンプラズマ生成コンポーネントが 稼働状態に達したと発表した。重要な基盤技術である固体DC-RF電力処理は98%の効率を達成した。ヘリコン放電は30kW の電波を使用してアルゴンガスをプラズマに変換した。残りの170kW の電力は、イオンサイクロトロン共鳴加熱を介してエンジンの第2部でプラズマを加速するために割り当てられた。[ 19 ]
VX-100 の試験データに基づくと、[ 11 ]室温超伝導体が発見された場合、VX-200 エンジンのシステム効率は 60～65%、推力は 5 N になると予想された。低コストのアルゴン推進剤を使用した場合の最適な比推力は約 5,000 秒であった 。未試験の残りの問題の 1 つは、高温プラズマが実際にロケットから分離するかどうかであった。もう 1 つの問題は廃熱管理であった。入力エネルギーの約 60% が有効な運動エネルギーになった。残りの 40% の大部分は、磁力線を横切るプラズマと排気発散による二次電離である。その 40% のかなりの部分は廃熱であった (エネルギー変換効率を参照)。その廃熱を管理して除去することが重要である。[ 20 ]
2009 年 4 月から 9 月にかけて、 2テスラの超伝導磁石を別々に給電し、「効率」の計算には含めない VX-200 プロトタイプで 200 kW のテストが実施された。 [ 21 ] 2010 年 11 月には、長時間の全出力発火テストが実施され、25 秒間の定常状態動作に達し、基本的な設計特性が検証された。[ 22 ]
2011年1月に発表された結果では、VX-200の最適効率の設計点は 排気速度50 km/s、またはI sp 5000 sであることが確認されました。200 kWのVX-200は、2013年までにアルゴン 推進剤で10,000回以上のエンジン噴射をフルパワーで実行し、RF電力入力に対して70%を超えるスラスタ効率を実証しました。[ 23 ]
2015年3月、Ad AstraはNASAから1000万ドルの助成金を受け、深宇宙ミッションのニーズを満たすための次世代VASIMRエンジンであるVX-200SSの技術準備を進めると発表した。 [ 24 ]名称のSSは「定常状態」を意味し、長期間の試験の目標は熱定常状態での連続運転を実証することである。[ 25 ]
2016年8月、Ad AstraはNASAとの3年契約の1年目のマイルストーンの達成を発表した。これにより、エンジンの高出力プラズマ燃焼が初めて可能となり、2018年半ばまでに100 時間と100kWに到達するという目標が掲げられた。 [ 26 ] 2017年8月、同社はVASIMR電気プラズマロケットエンジンの2年目のマイルストーンの達成を報告した。NASAは、VX-200SSエンジンの100kWでの10時間累積試験の完了を審査した後、Ad Astraが3年目に進むことを承認した。計画されていた200kW設計が、プレスリリースでは言及されていない理由で100kWで稼働しているようだ。 [ 27 ]
2019年8月、Ad Astraは、カナダのAethera Technologies Ltd.が製造したVASIMRエンジン用の新世代無線周波数（RF ）電力処理ユニット（PPU）の試験が成功裏に完了したと発表した。 [ 28 ] Ad Astraは、 120kWの出力と97%を超える電気からRFへの電力効率、そして52kgという重量で、競合する電気スラスタのPPUよりも約10倍軽量（出力重量比：2.31kW /kg）であると宣言した。
2021年7月、Ad Astraはエンジンの記録破りの試験の完了を発表し、82.5kWの出力レベルで28時間稼働させた 。[ 29 ] 7月12日から16日にかけて行われた2回目の試験では、80kWの出力レベルで88時間エンジンを正常に稼働させた 。[ 30 ] Ad Astraは2023年に100kWの出力レベルの試験を実施する予定である。 [ 31 ]
VASIMRは推力重量比が比較的低く、周囲が真空状態である必要がある。
VASIMRの提案されている用途、例えば火星への迅速な人員輸送などでは、原子炉の10倍の効率を持つ、非常に高出力で低質量のエネルギー源が必要となる（原子力電気ロケットを参照）。2010年、NASA長官のチャールズ・ボールデンは、VASIMR技術は火星ミッションの移動時間を2.5年から5ヶ月に短縮する画期的な技術になる可能性があると述べた。[ 32 ]しかし、この主張は過去10年間繰り返されていない。
2008年8月、アド・アストラ開発ディレクターのティム・グローバーは、VASIMRエンジンの最初の用途として「低地球軌道から低月軌道へ（非人間貨物を）運搬すること」が期待されており、NASAの月面帰還計画を支援すると公言した。[ 33 ]
39日間で火星への有人旅行を想定するには、[ 34 ] VASIMRは非常に高い電力レベルを必要とするだろう。
さらに、あらゆる発電技術は廃熱を発生させる。必要な200メガワットの原子炉は「質量密度が1キログラムあたり1,000ワット」であるため、「サッカー場サイズのラジエーター」を必要としないように、非常に効率的なラジエーターが必要となる。[ 35 ]
-200は、国際宇宙ステーション（ISS）で宇宙空間でテストされる最初の飛行ユニットであるVF-200-1を構築するための重要なデータセットを提供する。電力はISSから低電力レベルで供給され、バッテリーに蓄えられ、200kWでエンジンを噴射するために使用される。