ニュース

Jul 01, 2023

Titan Dragonfly に Fusion Engine が搭載されていたらどうなるでしょうか?

Poco più di quattro anni dopo, la missione Dragonfly della NASA venne lanciata nello spazio.

4 年ちょっと後に、NASA のドラゴンフライ ミッションは宇宙に打ち上げられ、土星最大の衛星であるタイタンに向かう長い旅が始まります。 ニューフロンティアプログラムの一環として、このクアッドコプターはタイタンの大気、地表、メタン湖を調査して、生命の痕跡（別名バイオシグネチャー）の可能性を探ります。 これは 2034 年に始まり、科学段階は 3 年 3 か月半続きます。 ロボット探査機は、その寿命を確保するために、核電池、つまりマルチミッション放射性同位体熱発電機 (MMRTG) に依存します。

しかし、もしドラゴンフライに次世代の核融合発電システムが搭載されたらどうなるでしょうか? 最近のミッション研究論文の中で、プリンストン サテライト システムズの研究者チームは、ダイレクト フュージョン ドライブ (DFD) がタイタンへのミッションをどのように大幅に強化できるかを実証しました。 このニュージャージーに本拠を置く航空宇宙会社は、プリンストン フィールド リバース構成 (PFRC) に依存する核融合システムを開発しています。 この研究は、地球上での迅速な輸送、長期ミッション、小型原子炉につながる可能性のあるコンパクトな核融合炉につながる可能性があります。

研究チームを率いたのは、プリンストン衛星システムズ（PSS）の社長であり、宇宙システムや商業宇宙産業で長い経験を持つ航空宇宙技術者であるマイケル・パルシェク氏だ。 彼には、PSS、プリンストンプラズマ物理研究所 (PPPL)、ライトパターソン空軍基地の空軍工科大学、プリンストン大学とスタンフォード大学からの複数の同僚が参加しました。 彼らのミッション研究「核融合動力のタイタン航空機」は、最近『Acta Astronautica』に掲載されました。

今すぐ Universe のすべての広告を削除してください

わずか 3 ドルで Patreon に参加しましょう!

一生広告なしのエクスペリエンスを手に入れましょう

核推進の概念は、NASA とソ連の宇宙計画が地球と月の系を超えた将来のミッションに動力を供給する原子炉の開発を模索していた宇宙時代初期に遡ります。 1964 年から 1969 年にかけて、彼らの努力は、高濃縮ウラン (235U) のゆっくりとした崩壊を利用して核熱推進 (NTP) を駆動する固体炉であるロケット推進用原子力エンジン (NERVA) につながりました。または原子力電気推進（NEP）システム。

前者は、重水素 (2H) と液体酸素 (LOX) 推進剤を加熱する反応器に依存しており、推進剤はノズルを通して送られて推力を生成します。 後者には、電磁場に依存してノズルから送られる不活性ガス (キセノンなど) をイオン化するホール効果スラスターまたはイオン エンジンに電力を供給するリアクターが含まれます。 これらの従来の核エンジンとは対照的に、直接核融合ドライブ (DFD) では、惑星間宇宙船用の推力と電力の両方を生成する核融合ロケット エンジンが必要です。

以前の研究では、国際研究チームは、2メガワット（MW）のDFDを備えた宇宙船が1000kg（2200ポンド）のペイロードを2.6年（約31か月）未満でタイタンまで輸送できる方法を提案しました。 これは、ドラゴンフライ ミッションの質量 (相対的に言えば) フェザー級である 450 kg (990 ポンド) の 2 倍以上です。 2.6 年という飛行時間は、ドラゴンフライの宇宙船がタイタンに到達するのにかかる 7 年よりも大幅に短いです。

Paluszek氏らは論文の中で、この研究をペイロードとして航空機を含めるように拡張し、タイタンの大気圏と表面を何年にもわたって調査することになる。 そして、Dragonfly のクアッドコプターの設計とは異なり、Titan 航空機は固定翼のロボット探査機となるでしょう。 Paluszek 氏が電子メールで Universe Today に語ったように、この宇宙船コンセプトの鍵となるのは、PPPL の研究者によって開発された PFRC 原子炉コンセプトです。

「プリンストン磁場反転構成は、アンテナによって生成された磁場が磁気ミラー内の磁力線を閉じる磁気トポロジーです。アンテナは、いわゆる回転磁場 (RMF) を生成します。核融合は、この閉じた磁場領域で発生します。」核融合領域の周囲にさらに低温のプラズマ流を発生させ、特定のミッションに最適な排気速度と推力を備えた排気流を生成します。」

彼らの論文によると、DFD推進エンジンは2年以内に大型の宇宙船をタイタンに輸送できる可能性があるという。 2 番目の核融合炉は閉ループ発電機としてタイタン宇宙船に電力を供給します。 どちらの原子炉も PFRC コンセプトに基づいており、新しい高周波プラズマ加熱システムと重水素/ヘリウム 3 (2H/3He) 燃料に依存します。 これにより、タイタン航空機の出力が大幅に向上し（数桁）、ミッションの寿命が大幅に延長されるでしょう。 パルスゼク氏はこう語った。

「タイタン航空機ははるかに大型です。実験用に 100 kW 以上の電力を供給します。トンボは約 70 W を供給します。より多くの電力は、地球へのより高速なデータ転送とまったく新しいクラスの高電力機器を意味します。NASA の木星氷月周回船ミッションには、同様の量の電力が必要であり、数kWの電力を必要とする多くの新しい機器が計画されていました。」

宇宙探査を進めるために原子力を利用することは、宇宙時代の黎明期から宇宙機関が研究してきたことである。 アルテミス計画とこの 10 年間の月への帰還、そして次の 10 年間の火星やその他の深宇宙へのミッションに向けて、NASA や他の宇宙機関は再び潜在的な応用を検討しています。 これらには、火星への飛行を 100 日まで短縮できる NTP および NEP システムを備えたバイモーダル核宇宙船が含まれます (現在、火星への飛行には 6 ～ 9 か月かかります)。

NTP システムは最近、2023 年の NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) プログラムの一環としてフェーズ I 開発に選択され、輸送時間を最短 45 日まで短縮できる可能性があります。 さらに、NASA は、2027 年までに NTP プロトタイプである機敏なシス月運用実証ロケット (DRACO) を軌道上でテストする契約を DARPA と結んでいます。NASA の核分裂表面発電 (FSP) プロジェクトを通じて、小型軽量の核分裂システムを開発する取り組みも行われています。最大 10 キロワット (kW) の電力を少なくとも 10 年間継続的に供給します。

これら後者の取り組みは、スターリング技術を使用した Kilopower Reactor (KRUSTY) 実証機につながった NASA の Kilopower プロジェクトに基づいています。 Paluszek 氏が説明したように、PFRC 原子炉設計に依存する DFD はこれらの提案を大幅に改善できる可能性があります。 さらに、この技術は宇宙探査や地上での応用にも重大な影響を及ぼします。

「重要な数値は、発電所の質量に対する電力の比率です。DFD は約 1 kW/kg である必要があります。NEP は約 0.02 kW/kg です。この技術は、緊急時や軍事用のポータブル電源として使用できる可能性があります。遠隔地に電力を供給できる可能性があります。」送電網のない町や、送電網が利用できない産業用途に使用できます。船舶や耐久性の高いドローン航空機に電力を供給できる可能性があります。また、風力発電と同様にモジュール式発電所にも使用できる可能性がありますタービンと太陽光発電です。もう 1 つの用途はピーク電力です。」

Paluszek と PPPL および Princeton Satellite Systems の同僚が宇宙探査を進めるために DFD 技術を提案したのはこれが初めてではありません。 2014年、第65回国際宇宙会議（IAC）の一環として、彼らは火星への有人軌道ミッションにDFD宇宙船を推奨した。 2016年、彼らはDFDを搭載した周回機と着陸機が冥王星へのミッションをどのように促進するかを提案し、NIACによってフェーズIとフェーズIIの開発に選ばれた。

今後 10 年間で、原子力推進と原子力システムが通常のミッション機能になる可能性があります。 これには、月面の探査と開発を支援する施設に電力を供給する小型核融合炉が含まれる可能性が高い。 また、火星の高速輸送および電力システムや、エウロパ、ガニメデ、タイタン、エンケラドゥス、その他太陽系外縁部の「海洋世界」への宇宙生物学ミッションにも提供できる可能性がある。 要約すると、核分裂と核融合発電は、人類がさらに宇宙に進出し、そこに長期滞在するための取り組みにとって不可欠な部分です。

さらに読む: Acta Astronautica