東北大、電極プラズマ推進機の世界最高推進効率20%を達成――大電力動作と長寿命化へ

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東北大学は2021年2月4日、同大学大学院工学研究科の高橋和貴准教授が、無電極プラズマ推進機の推進効率を約20%程度まで向上させることに成功したと発表した。電気推進機の大電力動作と長寿命化が期待できるという。

磁気ノズルを用いた無電極プラズマ推進機は、宇宙空間での大電力推進機として期待される方式の一つで、ヘリコン波放電による高密度プラズマ生成を利用することからヘリコンスラスタとも呼ばれている。この方式では、プラズマを無電極で発生できる高周波プラズマ源と、磁気ノズルと呼ばれる発散磁場中で生じる自発的プラズマ加速を組み合わせ、プラズマ流を噴射して推力を発生させる。

これまでの推進機は、プラズマ生成/加速に用いる電極の損傷が問題となっていた。だが、今回の方式の場合、プラズマの生成から加速に至るまでプラズマに接触する電極がなく、電極の損傷の解決につながる。そのため、電気推進機の大電力動作と長寿命化を実現する可能性がある。

この方式の研究開始当初の推進効率は1%以下だった。その後、性能改善により最高推進効率を10%程度まで向上させたが、それでも実用化に向けての効率改善が大きな課題として残った。

推進性能は、これまでの実験とモデリングを組み合わせた基礎物理研究により、プラズマ発生部の大口径化や原料ガスであるアルゴンの導入位置により変化することが分かっていた。そこで今回、高橋准教授は直径10cm級のプラズマ発生部を開発。さらに、推進機の出口近傍からアルゴンガスを供給し、当該方式の推進効率として世界最高推進効率という20%を達成した。

左:無電極プラズマ推進機実験装置、右:無電極プラズマ推進機の作動の様子

a.推力計測結果、b.推進効率評価結果

高橋准教授は今後、無電極プラズマ発生方式の大電力化や高効率化、磁気ノズル中のプラズマ現象の理解を進め、推進性能のさらなる向上を目指すとしている。

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