プラズマウィンドウ

プラズマウィンドウ（プラズマシールド[ 1 ]と混同しないでください）は、磁場によって閉じ込められたプラズマを空間の一定体積に充填する技術です。現在の技術では、この体積は非常に小さく、プラズマは円筒状の空間内に平面として生成されます。

プラズマとは、原子または分子が電離した気体であり、物質の独立した相です。これは、気体を極めて高温に加熱することによって最も一般的に実現されますが、他の方法も存在します。プラズマは高温になると粘性が増し、他の物質が通過しにくくなります。

プラズマウィンドウは粘性を持つため、標準大気圧のガスを全真空から分離することができ、最大9気圧の圧力差に耐えられると報告されています。[ 2 ]同時に、プラズマウィンドウはレーザービームや電子ビームなどの放射線を透過します。この特性がプラズマウィンドウの有用性の鍵です。プラズマウィンドウの技術により、真空中でのみ発生可能な放射線を大気中の物体に照射することが可能になります。[ 3 ] [ 4 ]電子ビーム溶接はプラズマウィンドウの主要な用途であり、強真空外でも実用化されています。

歴史

プラズマウィンドウはブルックヘブン国立研究所[ 5 ]のアディ・ハーシュコヴィッチによって発明され、1995年に特許を取得しました。[ 6 ]

この原理を利用したさらなる発明としては、1996年のプラズマバルブがある。[ 7 ]

2014年、レスター大学の学生グループが宇宙船のプラズマ偏向シールドの機能についての研究を発表しました。[ 8 ]

2015年、ボーイングは爆発によって発生する衝撃波から身を守るための力場システムの特許を取得しました。これは、飛翔体、放射線、あるいはレーザーなどのエネルギー兵器からの防御を目的としたものではありません。この力場は、レーザー、電気、マイクロ波を組み合わせて空気を急速に加熱し、（イオン化された）過熱空気プラズマ場を作り出し、衝撃波を遮断、あるいは少なくとも減衰させるという仕組みです。2016年3月現在、実用化が実証されたモデルは確認されていません。[ 9 ] [ 10 ]

ミチオ・カクは、 3層からなる力場を提案している。第一層は高出力プラズマウィンドウであり、入射する物体を蒸発させ、放射線や粒子を遮断する。第二層は、数千本のレーザービームを密集した格子状に配置し、プラズマスクリーンを通過した物体をレーザービームで蒸発させる。第三層は、目に見えないが安定したカーボンナノチューブやグラフェンのような材料のシートで、厚さはわずか原子1個分であるため透明であるが、鋼鉄よりも強度が高く、破壊された物体から発生する可能性のある破片を遮断する。[ 11 ] [ 12 ]

プラズマバルブ

関連技術として、プラズマウィンドウの直後に発明されたプラズマバルブがあります。プラズマバルブは、粒子加速器のシェル内にあるガス層です。粒子加速器のリングは真空状態にあり、通常、この真空が破られると壊滅的な被害をもたらします。しかし、プラズマバルブ技術を搭載した加速器では、万が一真空が破られた場合でも、ガス層はナノ秒以内に電離し、加速器の再圧縮を防ぐ密閉状態を作り出します。これにより、技術者は加速器内の粒子ビームを遮断し、加速器リングをゆっくりと再圧縮して損傷を防ぐ時間を確保できます。

プロパティ

プラズマウィンドウの物理的特性は用途によって異なります。当初の特許では、約15,000 K（14,700 °C、26,500 °F）の温度が挙げられていました。

プラズマ ウィンドウのサイズの唯一の制限は、ウィンドウを生成するために円形ウィンドウの直径 1 インチあたり約 20 キロワット (8 kW/cm) を消費する現在のエネルギー制限です。

プラズマ ウィンドウは明るい光を発しますが、その色は使用されるガスによって異なります。

架空の「力場」との類似性

テレビシリーズ『スタートレック』などのSFでは、「フォースフィールド」と呼ばれる架空の技術が装置としてよく用いられます。宇宙船の格納庫への外部「扉」として用いられ、船内の大気が宇宙空間に漏れるのを防ぐというケースもあります。プラズマウィンドウは、十分なエネルギーがあれば理論的にはそのような用途に利用できる可能性があります。StarTramの提案では、数メートル径の発射管の上に、電力消費量の多いMHDウィンドウを定期的に、しかし短時間だけ設置することを計画しています。これは、超高速宇宙船の進入前に機械式シャッターが一時的に開く瞬間に真空が過度に失われるのを防ぐためです。[ 13 ]

参照

その他の情報源

  • BNLが「プラズマウィンドウ」でR&D 100賞を受賞[ 14 ]
  • アディ・ハーシュコヴィッチ. 真空から大気への粒子ビームと放射線の伝播のためのプラズマウィンドウ技術[ 15 ]

参考文献

  • アディ・ハーシュコヴィッチ (1995). 真空-雰囲気界面およびプラズマレンズとしての高圧アークを用いた非真空電子ビーム溶接機、電子ビーム溶融、および非真空イオン材料改質、Journal of Applied Physics、78(9): 5283–5288

参考文献

  1. ^ Shiga, David (2006-07-17). 「プラズマバブルが火星旅行中の宇宙飛行士を守る可能性」 . New Scientist . 2008年4月2日閲覧。
  2. ^ 「Hot mettle」 . Newscientist.com . 2015年5月4日閲覧。
  3. ^ 「真空から大気圏へ粒子ビームと放射線を伝播させるプラズマウィンドウ技術」 NASA技術速報。1998年5月1日。 2008年4月2日閲覧。
  4. ^カク・ミチオ (2008年3月14日). 「不可能の物理学：フェイザー、力場、テレポーテーション、そしてタイムトラベルの世界への科学的探究」ウォール・ストリート・ジャーナル. 2008年4月2日閲覧。
  5. ^ 「Hot mettle」 . New Scientist . 2003年4月12日. 2008年4月2日閲覧。
  6. ^ 「米国特許：5578831：Hershcovitch（1996年11月26日）荷電粒子伝播の方法および装置」 Patft.uspto.gov 。 2016年3月1日閲覧。
  7. ^ 「米国特許: 6528948:Hershcovitch (2003年3月4日) プラズマバルブ」 . Patft.uspto.gov . 2016年3月1日閲覧。
  8. ^ 「学生たちがスターウォーズのディフレクターシールドの実現可能性を証明 - ExtremeTech」。
  9. ^ Alyssa Newcomb (2015年3月23日). 「ボーイング社、『スター・ウォーズ』風のフォースフィールド技術の特許を取得」 ABCニュース. 2015年3月23日閲覧。
  10. ^ 「ボーイング社、衝撃波から機体を守るプラズマ『力場』の特許を取得」 2015年3月30日。
  11. ^ 「力場を作る。シンプルなアイデア。ほぼ不可能…｜エラ・アルダーソン｜予測｜Medium」 2020年10月4日。
  12. ^ "「不可能の物理学：フェイザー、力場、テレポーテーション、タイムトラベルの世界への科学的探究」 - WSJ
  13. ^ 「StarTram2010：Maglev Launch：貨物と人間のための超低コスト、超大容量の宇宙アクセス」 startram.com。2017年7月27日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2011年4月28日閲覧。
  14. ^ 「BNLが『プラズマウィンドウ』でR&D 100賞を受賞」（PDF） . Bnl.gov . 2015年5月4日閲覧。
  15. ^ 「真空から大気圏へ粒子ビームと放射線を伝播させるプラズマウィンドウ技術 – Nasa Tech Briefs :: NASA Tech Briefs」 Nasatech.com、2007年5月15日。 2015年5月4日閲覧。
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