米国航空宇宙局 (NASA) は最近、リチウムを供給する新しい磁気プラズマ発電 (MPD) 実験用イオン エンジンが重要なテストで正常に動作し、将来の有人火星ミッションにおける重要な推進技術のブレークスルーとみなされていると発表しました。火星に降り立った最初の宇宙飛行士は、極めて過酷な環境に直面することになる。深宇宙で一日が増えるごとに、致命的な宇宙線にさらされることになります。長期にわたる隔離は精神的健康を蝕み、微小重力により筋肉や骨は弱まり続けるだろう。このため、NASAは飛行時間を大幅に短縮できる新しい推進システムの開発に多大なエネルギーを投資しており、近い将来火星への旅を数か月に短縮したいと考えている。
この新たに発表された MPD イオン エンジンは作動流体としてリチウムを使用しており、最大出力は 120 キロワット、推力容量は現在 NASA ミッションで使用されている最強の電気推進エンジンの 25 倍です。これは、より速く、より効率的な深宇宙飛行に向けた重要な一歩とみなされています。現在の代表は金属小惑星に向けて飛行する探査機「プシュケ」である。太陽電池アレイを使用してキセノンイオンエンジンを駆動します。大気抵抗のない環境では時速約20万キロまで徐々に加速できるが、この速度に達するには2年半以上かかる。
NASA の現在の化学ロケット技術では、地球から火星まで飛行するのに約 7 か月かかります。表面上、イオン推進は低推力と長時間にわたる加速の持続に依存しており、始動が遅く、超高速に達するまでに何か月もかかるため、飛行時間の短縮には理想的ではないようです。しかし、NASAは動力源と推進方式の組み合わせを変えることで、この伝統的な印象を覆そうとしている。
キセノンイオンエンジンの駆動に太陽電池アレイに依存するマインドとは異なり、この新しい MPD スラスターは、原子炉から高出力の電気エネルギーを供給する原子力電気推進システムの一部として構想されており、宇宙船が深宇宙で既存の電気推進よりもはるかに高い推力レベルを長期間維持できるようになります。 NASAは、この「原子力+MPD」の組み合わせにより、同じかそれ以下の推進剤質量で速度が大幅に向上し、それによって有人火星ミッションの航海が短縮されると考えている。
MPD 推進コンセプトは 1960 年代に遡りますが、宇宙ではまだ実用化されておらず、主な障害は太陽電池アレイの電力容量をはるかに超える膨大な電力要件です。これは、NASA が最近発表した原子力推進プロジェクト「Space Reactor-1 Freedom」を技術的に補完するものです。このプロジェクトは、別のミッションでキセノン作動流体を使用した従来のイオン エンジンを使用することを計画しており、MPD は高出力と高推力に向けた次のステップを表します。
従来のイオン エンジンは通常、静電場に依存して単一の荷電粒子 (主にキセノン イオン) を加速し、ノズルから放出して反力を取得します。 MPD エンジンは大電流と磁場と相互作用してプラズマを電磁的に加速します。このモデルは特にリチウム金属蒸気を使用しており、エンジン内でイオン化してリチウムプラズマを生成し、噴射して推力を実現します。
NASAは今年2月24日、南カリフォルニアにあるジェット推進研究所（JPL）の電気推進研究所において、水冷システムを備えた特殊な真空チャンバーを使用して、このMPDエンジンの臨界点火試験を実施した。テスト中、エンジニアはエンジンを5回点火し、摂氏2,800度（華氏約5,000度）を超える温度で明るく輝く中央のタングステン電極を監視した。データによると、この新しいエンジンはテストで最大出力レベル 120 キロワットに達することに成功しました。これは、「サイキック」で使用されている電気スラスターの 25 倍以上です。
NASA長官のジャレッド・アイザックマン氏は声明で、NASAが複数のミッションを並行して進めている間、「火星を見失ったことは一度もなかった」と述べた。同氏は、今回の実験の成功は米国宇宙飛行士の火星派遣に向けた「実質的な一歩」を意味すると強調した。また、米国が電気推進システムを120キロワットの高出力レベルで継続的に作動させることを許可したのもこれが初めてである。 NASAは人類の次の大きな飛躍に向けた強固な技術基盤を築くための「戦略的投資」を継続する。
NASA は、この MPD エンジンは将来のテストで 1 MW の出力レベルに達すると予想されています。政府機関の内部推定によると、火星への典型的な有人ミッションには合計2～4メガワットの電力が必要となる可能性があり、これは最終的な宇宙船には複数のMPDエンジンが並行して動作する可能性が高いことを意味する。このプロセスでは、超高温環境においてハードウェアの長期信頼性の高い動作を保証し、MPD テクノロジーの典型的な問題である電極の腐食を軽減する方法が、エンジニアリング チームが克服しなければならない重要な課題となります。
現在、2 年間の設計と建設を経て、研究開発チームは最初のテスト結果に満足しており、エンジニアリングへの道における最初の「大きな敷居」を超えたと信じています。ジェット推進研究所の上級研究員であるジェームス・ポーク氏は、このテストはエンジンが正常に動作できることを証明しただけでなく、所定の出力目標を達成することに成功し、その後の大規模テストのための信頼できるテストプラットフォームの基盤を築いたと述べた。
より大きな観点から見ると、電気推進技術の利点は、推進剤の利用効率が非常に高いことにあり、従来の化学ロケットと比較して推進剤の消費量を約90％削減できます。高出力 MPD 推進と原子力を組み合わせることで、理論的には、全体の質量を大幅に増加させることなく、深宇宙探査機の平均推力を高め、飛行時間を短縮できる可能性があります。これは、人類初の火星への有人旅行の重要な技術の1つとなり、宇宙飛行士が放射線や長期の無重力状態による健康リスクを軽減するための貴重な時間を得ることができるかもしれない。
NASAは特定の有人ミッションにおけるMPD推進のスケジュールをまだ発表していないが、この高出力地上試験は「火星に一歩近づく」ための重要なマイルストーンとみなされている。多くの国が有人火星計画の計画を競っている中、この新技術が実験室から出て実際のミッションにうまく移行できれば、人類の深宇宙探査の時間スケールが変わることが期待されている。