宇宙飛行に革命をもたらす可能性のある 14 の最先端の宇宙船推進コンセプト

ロケットを宇宙に打ち上げるのは費用がかかる上に複雑で、精密なエンジニアリングとチームワークが求められます。従来の化学ロケットが今日のロケットの大半を占めていますが、革新的な推進コンセプトの波は、人類の到達範囲を拡大し、打ち上げ質量を減らし、遠い世界への移動時間を短縮することを約束しています。

どの推進システムにも長所と限界があります。最も一般的なアプローチであるデラバル ノズルから高速ガスを排出する方法は、数え切れないほどのミッションで使用されていますが、独自の酸化剤を搭載することに依存しており、重量が増加します。新しいテクノロジーは、大気、磁場、反物質、さらには時空の構造そのものを利用することで、これらの制約を克服することを目指しています。

14.相乗効果のあるターボジェット

Synergistic Turbojet は、空気を吸うターボジェットの原理とロケットの推進力を組み合わせたハイブリッド エンジンで、ステージを落とすことなく 1 ステージから軌道までの飛行を可能にします。大気を取り込み、軽量の予冷器を通して圧縮することにより、エンジンは高圧、高温の空気を燃焼室に送り込み、そこで液体水素に点火します。これにより、大量の酸化剤を搭載する必要がなくなり、打ち上げ質量が減少し、全体的な効率が向上します。

英国企業 Reaction Engine Limited が Skylon スペースプレーン用に開発したこの設計は、大気吸気と機内燃焼を統合することで、高高度で強力でクリーンな推力がどのように得られるかを実証しています。

13.電磁コイルガンランチャー

電磁コイルガンは、パルス磁場を使用してペイロードを加速し、物理的接触を排除し、アーク発生を低減します。一連のソレノイド コイルを素早く連続して通電することにより、この装置はレールまたはトラックに沿って移動する質量に運動エネルギーを与えます。軌道速度を達成するには数マイルの長さの軌道が必要ですが、これには数十億ドルの投資が必要ですが、高出力スイッチングと導体材料の進歩により、このコンセプトはますます実現可能になっています。

12.真空から反物質へのロケット星間探索システム (VARIES)

VARIES は、シュウィンガー対生成によって反物質を生成する高強度レーザーに電力を供給するために大型太陽電池アレイを使用することを提案しています。結果として生じる反物質は磁気「ボトル」に保存され、その後、制御された消滅反応で放出されて推力が発生します。この概念は、潜在的に光速の何分の一かという並外れた比推力を提供しますが、星間旅行の強力な放射線環境に耐えるためには、堅牢な磁気閉じ込め、ガンマ線シールド、先進的な素材が必要です。

11.核熱ロケット

核熱ロケットでは、原子炉が水素を化学エンジンの温度をはるかに超える温度まで加熱し、ノズルを通して水素を膨張させて推力を生み出します。これにより、従来の化学ロケットの約 2 倍の比推力が得られます。ロスアトムのプロトタイプは、地球から火星への旅行を 18 か月から 45 日に短縮すると予測されており、劇的な改善により、迅速な有人ミッションや深宇宙での物流が可能になる可能性があります。

10.ダクトロケット

ダクト付きロケットは、ラム吸気口を使用して大気を捕らえて再循環し、ロケット自体の排気で圧縮します。この相乗効果により、実効排気速度が向上し、所定の燃料負荷で 500 秒を超える比推力を達成できるようになり、最高の化学エンジンの性能が 2 倍になります。ただし、このシステムには、車両の機体とシームレスに統合される正確に設計された吸気口が必要であり、航空機が上昇するにつれて減少する空気供給に対応する必要があります。

9.ステラーウィンドジャマー

太陽から流れてくる高エネルギーの荷電粒子である太陽風を推進力として利用することができます。アンドリュース・ズブリンのマグセイルで使用されている超電導ループなどの磁気セイルは、このプラズマを遮断し、宇宙船を有害な粒子から守りながら偏向して推力を生成します。磁場の向きを調整することで操縦が可能になり、燃料を使わずに太陽系内部を航行できる方法が提供されます。 NASA の 2018 年小惑星スカウトのフライバイでは、基本的なソーラー セイルがデモンストレーションされ、より野心的な風力発電ミッションへの道が開かれました。

8.ネストされたチャネル ホール スラスター

従来のホールスラスタは、単一の放出チャネルのサイズによって制限されます。ネストされたチャネル設計により複数のチャネルがスタックされ、全体の質量を削減しながらより高い電力密度が可能になります。チャネルを選択的にアクティブにすることで、オペレーターは推力を調整し、出口エリアを調整することができ、効率と寿命が最優先される深宇宙ミッションに多用途の制御を提供します。

7.反物質ロケット

反物質の消滅は、化学反応よりも桁違いに大きな密度でエネルギーを放出します。現在のロケットに必要な推進剤は何トンも必要ですが、わずか 100mg の反物質で宇宙船を地球から火星まで推進することができます。このプロセスでは電子機器やシールドに損傷を与える可能性のある高エネルギーのガンマ線が放出されるため、課題は安全な生産、保管、制御された消滅にあります。 NASA の NIAC は、これらの危険を軽減する設計を検討しています。

6.外部パルスプラズマ推進

オリオン計画にヒントを得たこのアプローチは、車両後方での小さな核爆発を利用して推力を生成します。初期の設計では、従来のエンジンをはるかに上回る比推力 6,000 を達成しました。理論的には、さらなる改良は 100,000 秒に達する可能性があり、迅速な惑星間旅行が可能になります。政治的および環境的制約により元のプログラムは中止されましたが、最新の研究はより安全でより制御されたパルス メカニズムに焦点を当てています。

5.プロジェクト ダイダロス

1970 年代に英国惑星間協会から委託されたプロジェクト ダイダロスは、50 年以内にバーナード星 (5.9 光年) に到達できる無人星間探査機の 5 年間の設計研究を構想しました。この 2 段式ビークルは、三重水素・重水素ペレットを燃料とする慣性閉じ込め核融合を使用して、光速の 12% まで加速します。構造材料（カーボン、ジルコニウム、チタンを混合したモリブデン合金）は、極低温から 1,600K までの極端な温度に耐えられるように選択されています。

4. Cubesat アンバイポーラ スラスター (CAT)

CAT は、1U または 3U キューブサット用に設計された小型プラズマ エンジンです。 DC-to-RF 発振器と RF アンテナを使用して、電子を加熱するヘリコン波を生成し、周囲のガスをイオン化します。次に、希土類磁気ノズルがイオンを加速し、電子が閉じ込められたまま推力を生み出します。この技術は、低コスト衛星による自律的なステーション維持と深宇宙ミッションを約束します。

3.ナノ粒子マイクロ推進

NanoFET (ナノ粒子場抽出スラスター) は、静電場を使用してナノおよびマイクロ粒子を加速し、単位質量あたりの高い推力を達成します。このアプローチは超小型衛星にとって魅力的であり、環境修復や生物医学用途にも適用できます。進化型キセノン スラスター (NEXT) は、イオン エンジンが同等の運動量で推進剤の質量を 10,000kg から 860kg に削減できることを実証し、電気推進の効率性を強調しました。

2.フォトニックレーザースラスター

K. Bae 博士のフォトニック レーザー スラスターは、宇宙船に取り付けられたミラーでレーザー ビームを繰り返し反射することにより、搭載された推進剤を排除します。各反射によって光子の運動量が増幅され、わずか 15kW のレーザー出力と 10,000 サイクルの反射で 1N の推力が可能になります。これは 100kW のソーラーパネルの推力に相当します。この「フォトン リサイクル」技術は、軽量探査機に正確で高速な操縦を提供し、宇宙内燃料補給の一形態として機能する可能性があります。

1.アルクビエール ワープドライブ

物理学者のミゲル・アルクビエールは、宇宙船の前方の空間を収縮させ、後方の空間を拡大することで宇宙船が光より速く移動できるという理論的枠組みを提案した。数学では相対性理論に違反することなくこのようなワープバブルが可能ですが、実際に実現するには負のエネルギー密度を持つエキゾチックな物質が必要になりますが、これはまだ入手できない成分です。それにもかかわらず、この概念は量子場の操作と時空の基本的な限界に関する研究を刺激します。