光の速度の 2% を移動するダイナミックなソアリングを使用したプラズマ マグネット

太陽風を推進手段として利用するための多くの概念が存在します。MagSail、e-sail、プラズマ磁石などです。これらの概念はすべて、主に抗力装置として機能するため、太陽風と同じ速度 (〜 700 km/s) に制限され、太陽風の局所的な方向を横切る力 (つまり揚力) を生成する能力も限られています。探究すべき興味深い可能性は、ダイナミック ソアリングです。これは、宇宙の 1989 つの異なる領域における風速の違いを利用するものです。アホウドリやセールプレーンがこの技術を使用し、ウィンドシアの領域を出入りすることで旋回することが知られています。 Birch (JBIS、XNUMX) は、このような技術が星間旅行用途に「MHD ウィング」を介して使用できる可能性があると示唆しましたが、その概念についてはさらに検討しませんでした。

局所的な惑星間または星間物質に運動量を与え、アンテナに力 (揚力) を生成する指向性プラズマ波アンテナを備えた宇宙船。動的ソアリング操縦を繰り返してエネルギーを抽出し、太陽風の速度の倍数を得ることで、太陽風の最大速度の最大2倍、光速の約XNUMX%に達します。

推進手段として太陽風と相互作用するという概念の開発には、段階的に実験による検証が必要となる。その最初の検証は、推進に磁気構造を使用して太陽風に対する顕著な抗力を実証することである。プラズマ磁石は、「はじめに」で検討した抗力概念の加速の点で最も高い性能を発揮するようであるため、プラズマ磁石技術のデモンストレーションが次の当然のステップであると考えられます。最近の研究では、木星観測速度実験 (JOVE) と呼ばれる小型の 16U キューブサット実証機のコンセプトが提案されており、地球から打ち上げられてわずか 6 か月後に木星の軌道を通過することができます。風に乗るプラズマ磁石技術のもう 550 つの応用は、太陽重力レンズ (SGL) 距離 (>7AU) への迅速なアクセスの実証です。 「Wind Rider Pathfinder Mission」と呼ばれるこの研究では、この技術を使用すれば打ち上げからXNUMX年以内にSGL地域にアクセスできることが示された。これらの画期的なミッションは、有意義な推進力を太陽風から抽出できることを検証し、風力から電力を抽出して揚力を生成するというより高度な概念の基礎を提供することになる。

望遠鏡を太陽の重力レンズに送れば、望遠鏡の可視化能力は何十億倍も向上するでしょう。なぜなら、望遠鏡は幅約100万マイルの太陽によって集束された光を見ることになるからです。 太陽重力レンズ望遠鏡。光または光に近い波長では、光の増幅は約 200 億倍であり、同様に優れた角度分解能を備えています。太陽から 550 天文単位から始まるこの領域に到達できれば、系外惑星の直接画像撮影が可能になります。画像処理ミッションは、すでに利用可能な技術、または現在開発中の技術を使用することで、困難ではありますが、実現可能です。現実的な条件下では、銀河系近傍にある地球に似た系外惑星のメガピクセル画像化には、これまで考えられていたような数年ではなく、数週間から数か月の積分時間しか必要としません。

研究チームは、太陽の重力による光の曲がりを利用するために、冥王星の約865000倍の距離に109メートルの望遠鏡を飛ばすことを研究してきた。太陽の直径は3マイルで、地球のXNUMX倍です。重力を利用すると、太陽を巨大な集光器として活用できます。私たちは地球から XNUMX 光日離れたところに行って、他の太陽系の惑星を撮影することができます。それは私たちが他の太陽系に探査機を送り込んだようなものです。

この方法がうまくいけば、2030年代には他の太陽系を探索できるようになるかもしれない。

このアプローチは、外部動圧によって動力を供給される推進ドライブの概念 [いわゆる q-drive (Greason, 2019)] に基づいていますが、現在の概念では、搭載された反動質量は使用されません。外部発電を使用して、車両上の流れに対して垂直な太陽風に含まれる物質を加速することにより、電力抽出プロセスによって生成される抗力よりも大きな揚力が生成されます。その結果、揚力を生成する翼の一種が誕生しましたが、物理的な構造はありませんでした。セクション 2 では、この揚力発生メカニズムの動作原理を詳細に説明します。セクション 3 では、太陽系で利用可能な高いウィンドシアの領域、すなわち、速い (極) 太陽風と遅い (赤道) 太陽風との境界面と、太陽風が超音速から超音速に戻る終端ショックを利用して、潜在的なミッションの概念が開発されます。亜音速流、速度の約 2% に達する c.

太陽系のいくつかの構造物は、エネルギーを抽出するためのダイナミックなソアリング操縦に十分な大きさの風勾配を提供します。このような構造には、終端ショック、太陽圏界面、遅い太陽風と速い太陽風、惑星磁気圏の境界などが含まれますが、これらに限定されません。これらの構造の密度は変化しますが、プラズマ磁石などの抗力装置の分析により、車両の周囲に人工的に生成された磁気圏の範囲は、周囲の密度が減少するにつれて自然に拡大することが示されています。具体的には、宇宙船の周囲の磁気構造は、磁気圧力が太陽風の動圧と一致するまで膨張します。この効果により、プラズマ磁石などの装置は、太陽から外側に移動する際に、ほぼ一定の抗力が生じます。この論文の分析では、抗力の一定値を採用しましたが、生成される揚力はプラズマを通る抗力装置の動きから得られるため、揚力も同様に一定の値を採用しました。

乗り物 (または鳥) は、抵抗の少ないバンク操作によって移動する空気の流れに入るときに弾性衝突を実行します。車両が静止した大気中に戻ると、風速は 850 倍になります。その後、静止した空気の中でバンクすることで、車両は風の流れに再び入り、速度を再び増加させることができ、抗力損失が速度の増加を打ち消して最大速度に達するまで、何度も操縦を繰り返します。最近、遠隔制御グライダー愛好家は、推進力を搭載していないグライダーでこの技術を活用することにより、風速の約 10 倍である時速 XNUMX km を超える驚くべき速度を達成しました。

宇宙船は、流速を超える速度まで加速するために、宇宙内のイオン化ガスの流れ (太陽風または星間物質) と相互作用することがあります。 提案された技術では、海鳥やグライダーが風速の違いを利用して速度を得るダイナミックなソアリング操縦にヒントを得て、揚力を生成する宇宙船が風速の異なる太陽圏の領域間を旋回し、その過程でエネルギーを得る。推進剤を使用せず、搭載電力もわずかしか必要としません。

最も単純な解析では、宇宙船の動きは、異なる速度で移動する媒体の領域間の一連の弾性衝突としてモデル化できます。宇宙船の軌道のより詳細なモデルは、宇宙船の揚力抗力比の観点から達成される可能性のある速度増加と最大速度を予測するために開発されています。機体上空の流れから飛行方向に動力を取り出し、周囲の媒体を横方向に加速して揚力（流れに垂直な力）を発生させる揚力発生機構が提案されている。大きな値の揚力抗力比は、小さな横速度が広い相互作用領域にわたって与えられる場合に可能であることが示されている。極度に低い密度の太陽圏では大きな相互作用領域が必要であるため、物理的な翼を使用することはできませんが、コンパクトな指向性アンテナによって生成されたプラズマ波を使用して、周囲の媒体に運動量を与えることは可能です。 R波、X波、アルフベン波、磁気音波が有力な候補として挙げられています。概念的なミッションは、太陽圏の終端ショックで動的ソアリングが実行され、推進剤を消費することなく打ち上げから 2 年半以内に宇宙船が c の XNUMX% に近い速度に達することを可能にするというもので定義されています。この技術は、他の太陽系への真の星間飛行を達成するための多段階ミッションの最初の段階を構成する可能性がある。

ソーラーセイルは、太陽から発せられる自由に利用できる光子を利用する推進技術の最初の例であるが、最も極端なソーラーセーリングであっても、面密度が最も低く、最高温度の材料（エアログラファイトなど）を使用して太陽近くから打ち上げられる。 c の 2% しか達成できないでしょう (Heller et al., 2020)。従来のソーラーセイルでは、c の 0.5% 未満に制限されています (Davoyan et al., 2021)。最近、リンガムとローブ (Lingam and Loeb, 2020) は、放射線で押し出された光帆が c の 10% 以上の速度に達することを可能にする天体物理的物体 (例えば、大質量星、超新星など) を調べましたが、これはまだ太陽系由来の人間のテクノロジーがどのようにして星間飛行を達成できるかという問題が残されています。