東北大学大学院工学研究科の高橋和貴准教授ら研究グループは2020年10月28日、オーストラリア国立大学と共同で、発散する磁場構造（磁気ノズル）中で膨張するプラズマから電場を排除することにより、電子が磁気ノズルのみと相互作用する系を構築し、磁気ノズル中の電子の熱力学的特性を詳細に計測することに成功したと発表した。熱力学のアナロジーで、磁気ノズル中で膨張するプラズマの電子冷却過程を説明できるという。
宇宙空間での大電力推進機の方式として期待されている磁気ノズルを用いた無電極プラズマ推進機は、高周波プラズマ源で電離した燃料ガスの磁気ノズル中での自発的加速を経て、宇宙空間へ高速で噴射することで推力を得る。ヘリコンスラスタとも呼ばれるこの方式は近年、多くの研究機関で研究開発されている。
無電極磁気ノズルプラズマ推進機に関する代表的な物理現象と成果
この方式では、高周波電力は主にプラズマ中の電子を加熱し、エネルギーの大部分は電子へと吸収される。したがって、電子エネルギーがどのように推進機の機械エネルギーへと変換されるのか理解することで、今後の推進機の高性能化が進むと期待されている。しかし、室内実験では、シースと呼ばれる電位構造が真空容器壁面で形成され、電子がシステム内に捕捉されるため、磁気ノズルと電子の相互作用のみを実験的に調べられなかった。
そこで研究グループは、電子ビーム源を用いたプラズマ発生装置を開発。システム内から電場を排除し、電子流が断熱膨張を示すことを明らかにしたという。磁気ノズル構造の機械エネルギーへ電子の内部エネルギーが変換されることを明らかにしており、電子の磁力線を横切る拡散過程がその変換効率に大きく影響することを示した。
実験装置概略図
研究では、電子ビーム型プラズマ発生装置を用いて、電場をシステムから排除した条件化で外部磁場強度を変化させた際の電子エネルギー分布関数の高精度計測を実施。ポリトロープ指数の評価により、膨張の際のエネルギー授受を熱力学の観点から議論した。
ポリトロープ指数は、γ=1の際は周囲とのエネルギー授受がなく等温膨張で、γ=5/3の際は断熱膨張の過程で周囲に仕事し冷却される状態を示している。ポリトロープ指数を観測すると、外部磁場が弱い条件下ではγ=1へと近づき、磁場強度が大きい場合にはγ=5/3へと近づいた。
ポリトロープ指数γの評価結果
これは磁場強度が十分に強い条件下では、電子流体によって推力が発生し、磁気ノズルへ仕事をすることで電子の内部エネルギーが減少していることを示している。磁場強度が弱い場合は、磁気ノズルと電子は相互作用せず、磁気ノズルへ与えられる仕事量も減少する。この現象に関し、プラズマ詳細計測により、磁力線を横切る拡散過程がこの電子膨張の熱力学特性を決定していることを明らかにしたという。
これらの成果は、研究グループが開発を進めている宇宙推進エンジン、無電極プラズマ推進機の高性能化に寄与することが期待される。
