NASAが支援した核融合ロケットFDR。なぜ太陽電池で「金属の輪」を潰すのか

核融合ロケットの構想図をよく見ると、船体の両側に太陽電池が伸びている。太陽と同じ反応で飛ぶのなら、なぜ日光を集めるのか。

ワシントン大学とMSNWが研究し、NASAのNIACが支援したFusion Driven Rocket（FDR）では、この違和感が仕組みを解く入口になる。太陽電池は、核融合に至る圧縮を始めるための電力を供給する。宇宙船を押すために外へ捨てるのは、高温になった金属だ。核融合燃料、圧縮する材料、推進剤。その役割を分けると、遠い未来の絵に見えた機体が、一つの工学的な提案として見えてくる。大学による構想説明

出発点は、磁場を伴う小さなプラズマの塊だ。その周りへ金属の輪を送り込み、強い磁場で内側へ押しつぶす。輪は合流して殻になり、中心の燃料を急激に圧縮する。研究者が狙うのは、この短い時間に核融合を起こすことだった。

金属の役目は、そこで終わらない。周囲の殻が反応のエネルギーを受け取り、高温の電離した物質へ変わる。それを磁場で導くノズルから後方へ放出し、推力を得る。輪は「燃料を圧縮する道具」であると同時に、「最後には宇宙船の外へ出ていく推進剤」でもある。核融合で反応する燃料そのものと、機体を押すために噴射する物質は、同じ役割ではない。

圧縮を始める電力が必要なのは、この順序のためだ。構想図の太陽電池は飾りではなく、始動側の仕組みに属する。核融合のエネルギーをどう使うかと、最初にどう圧縮するかは、別々に解かなければならない。FDR Phase I最終報告書・原理と機体設計

なぜ、こんな回りくどい方法を選ぶのか。地上の核融合発電所を小さくして、電気でエンジンを回せばよいようにも思える。

FDRの研究報告が問題にしたのは、その機体全体の重さだ。核融合のエネルギーを電気に変え、電気で推進する構成には、変換装置や、使い切れない熱を宇宙へ逃がす放熱器が必要になる。反応が強力でも、それを扱う設備が重ければ、速く飛ぶ利点が削られる。

そこで、放出する金属にエネルギーを受け取らせ、そのまま推進に使う。これは、発電所を宇宙へ運ぶ代わりに、宇宙用のエネルギーの受け渡し方を考える設計だ。大きな放熱負担を抑えることは研究上の狙いであり、機体の熱設計がすべて解決したという意味ではない。見るべき数字も、反応の強さ一つから、電源や磁石を含むシステムの重さへ広がる。研究報告書・宇宙推進の設計課題

FDRには、30日や90日の火星移動を検討したミッション解析がある。この数字は到着実績でも、旅行日程の予告でもない。推進系が想定した性能を出し、機体や推進剤などの条件が成立した場合を調べた計算だ。

報告書には太陽電池の大きさや加速に使う時間を変える検討もある。圧縮に使える電力を増やしたくても、太陽電池を大きくすれば、それを運ぶ負担も増える。金属の輪も一度噴射すれば失われるので、次の作動には新しい輪が要る。「核融合だから燃料をほとんど気にせず飛べる」とは読めない。必要なのは、反応、電源、推進剤、軌道を組み合わせた見積もりなのである。Phase I報告書・ミッション解析

2013年の大学発表には、NASAの研究会で来場者が触れられるよう、握りこぶしほどに潰れたアルミニウムの輪を用意した記録がある。実験で金属を圧縮した、その成果物だった。宇宙で使う案ではリチウムを想定し、当時の試験ではアルミニウムを使っていた。

この手触りのある成果と、宇宙船の完成は分けて見る必要がある。金属を狙いどおりに潰すこと、その圧縮で必要な反応を起こすこと、噴射して次の作動を繰り返すことは、それぞれ確かめる段階が違う。NASAの支援も、飛行実証の認定ではない。NASA掲載の研究構想

次に核融合ロケットの発表を読むときは、「何日で火星へ行けるか」の手前を見たい。何を実測したのか。電源と機体の重さを含めたのか。金属を供給し、圧縮し、噴射する一連の動作を繰り返せたのか。宇宙機器やパルス電源、材料をつくる企業にとっても、仕事が具体化するのは、この条件が仕様と試験へ落ちていく場所だ。

太陽電池のある核融合ロケットは、矛盾した絵ではない。強力な反応を、持ち運べるエンジンに変える難しさが、一枚に描かれている。

NASA NIAC採択一覧 2011 Phase I 2012 Phase II · NASA構想解説 ページ日付2019年3月25日 採択年とは異なる · NASA NTRS最終報告 書誌日付2018年11月12日