解説
イオンスラスターで宇宙時代を切り拓く
人類の探究心は、前世紀に宇宙飛行を可能にし、近年は急速に発展しています。 これは、宇宙船の急速な発展を推進する技術のおかげです。 🔗統計によると、 2020年には記録的な114回の打ち上げが行われ、1000個以上の衛星が軌道に乗りました。 2021年にはさらに増え、9カ月間で1600基以上の衛星が打ち上げられました。
人工衛星を軌道に乗せるのは困難なことです。 その軌道を生涯にわたって維持し、使命を果たすことも大変な問題です。 重力や空気抵抗の影響で、衛星が軌道から外れてしまうこともあります。
そのため、衛星の軌道を維持するために、小型の軌道スラスタを定期的に噴射し、 軌道の緩やかな変化を補正しています。 また、衛星の数が増え続ける中、軌道を正確に維持し、寿命が尽きたら軌道を離脱することも重要です。
高効率で信頼性の高いスラスタの開発は、世界中の様々な機関によって行われています。 軌道上スラスタにはさまざまな種類があります。 化学スラスタと、今回のテーマであるイオンスラスタのような非化学スラスタに大別されます。
推力
同じ条件、2つの異なるアプローチ
推力は、ある質量流量をある排気速度で排出したときに発生する力の大きさとして定量化することができます。 このため、目的の推力を達成する負荷に、 低速で大きな流量を排出するか、高速で小さな流量を排出するか、という柔軟性があります。
化学スラスタは、副生成物を大きな質量流量で、比較的低い速度で排出します。 軌道に乗るまでの宇宙飛行の初期段階には、大きな燃料タンクから強力なスラスタが供給されます。 比推力（質量流量あたりの推力）は低くなります。
イオンスラスタは、従来の化学スラスタとは異なり、静電場中でイオン（通常はキセノン）を 高速にクーロン加速することによって機能します。 その結果、2000秒以上の高い比推力が得られ、電気効率は80%にも達します。 また、応答速度が速いだけでなく、精密に制御できるため、大きな推進剤タンクが不要になります。 そのため、惑星間や深宇宙での長期的なミッションのために、イオンスラスタが強く求められています。
高価なキセノンスラスタの代替となりうるヨウ素スラスタ
キセノンベースのイオンスラスタは化学スラスタの素晴らしい代替品ですが、 キセノンの希少性から運用コストが高くなります。 そのため、水、クリプトン、ビスマスなどの新しい推進剤が研究されています。 これらの新推進剤を研究するために、コストのかかる実験が世界中で行われています。 この記事では、代替品としてヨウ素の可能性を探ります。 ヨウ素の主な利点は、キセノンよりもイオン化断面積が大きいこと、 標準的な温度と圧力下では固体であるため、ヨウ素を貯蔵するための体積が小さくてすむことです。
VizGlow
VizGlowを使用した高忠実度の数値モデル
実験や繰り返し設計のためのイオンスラスターの試作は、時間がかかり、困難で、多額の費用がかかります。 また、これらのスラスタの動作条件を実験室で再現することは困難です。 そのため、研究者は設計を最適化するために、数値モデルに頼ることがよくあります。 イオンスラスターのモデリングは、物理学の広い領域を包含する複合物理学的な問題です。 流体力学、反応流、プラズマ、電磁気学、表面物理学など、様々な物理を考慮した上で、 イオンスラスターを忠実にモデル化しなければなりません。 これらの物理間の結合は、多くの場合、単純ではありません。 その結果、数学を単純化するために近似を行わなければなりません。 このような縮小モデルは、必ずしもイオンスラスタの挙動を表現しているとは限りません。 実際、イオンスラスターの簡略化された計算機研究に関連する文献はほとんどありません。
VizGlow - 完全に結合された自己無撞着な非平衡プラズマソルバーが、 プラズマスラスタの正確な数値シミュレーションを可能にします。 🔗VizGlowは、多粒子種の化学反応性プラズマダイナミクスと電磁波のマクスウェル方程式の結合を可能にします。 また、従来のナビエ・ストークス方程式（CFD 数値流体力学）とパーティクル・イン・セル法（PIC）を組み合わせた ハイブリッドモデルもサポートしています。 これは例えば、真空中に放出されたプラズマプルームの挙動を記述するために使用することができます。
私たちのチームは、共同研究者とともに、 ヨウ素を利用したイオンスラスターのシミュレーションを行いました。
シミュレーションの設定と考察
計算領域は 6 cm × 10 cm のプラズマチャンバーで、その中で13.56 MHzで駆動する 4周の金属コイルアンテナによって 100 Wの電力をかけて、ヨウ素プラズマを生成します。 本研究では、1.0 Paと2.5 Paの2種類の圧力におけるプラズマの特性を比較しました。
シミュレーションでは、電子と、イオンなど重い粒子の温度とが異なっているなどの非平衡効果をとらえました。 また、静電シースも解像しました。 静電ジュール加熱は、電磁波からプラズマに堆積する電力に比べれば無視できる程度でした。 誘電体である水晶壁は正負の化学種のフラックスをバランスさせるように、電位を得ます。
VizGlow の結果から、両方の圧力において、ほぼすべてのヨウ素分子が解離してI+イオンとなり、 混合気体を占めていることが示されました。 ヨウ素分子のイオン、すなわちI2+の濃度は、 支配的な、ヨウ素原子の一価イオンの濃度よりも約1桁小さくなっています。
圧力は生成されるプラズマの組成に影響を与えます。 チャンバー圧力 1.0 Pa では、電子を負電荷種とする電気陽性のプラズマが生成されます。 しかし、圧力が高くなるにつれて変化し、2.5 Paでは ヨウ素の陰イオン（I-）を主な負電荷とする電気陰性プラズマが形成されます。
VizGlow が捉えた興味深い特徴は、プラズマの主要部分を取り囲む渦のような構造の存在です。 この効果は、電気陰性プラズマ中の電子と負イオンの輸送の結果です。
VizGlow
ヨウ素スラスターモデリングの将来
VizGlowは、新しい機能、増え続ける化学物質のデータベース、高速で正確なソルバーによって常に進化しています。 チャンバー圧力と温度の影響を理解するためのトレードスタディが可能です。 この分野では将来、スラスタの寿命を推定するために、 スラスタや宇宙船の表面とヨウ素の反応性に焦点を当てることもできます。
VizGlowは、次世代の効率的な宇宙船を推進し、 宇宙を理解する地平を広げることを目的としたイオンスラスターの実際の設計をシミュレートすることができます。
研究論文： D Levko and L L Raja, Journal of Applied Physics, 2021, vol. 130, issue 17; https://doi.org/10.1063/5.0063578