[論文レビュー] Debris Engine: A Potential Thruster for Space Debris Removal

Lei Lan, Jingyang Li+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2015

Space Satellite Systems and Control参考文献 24被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、軌道上を回るデブリを捕獲し、粉砕してマイコンサイズの粉にし、静電的に帯電させ、静電加速器で加速することで連続推力を得る、新しい宇宙推進機「Debris Engine」を提案する。このシステムは、推進力を得ると同時にデブリ除去も可能であり、比効果的推力は静電ポテンシャルと粉砕デブリ粒子の電荷対質量比に依存する。

ABSTRACT

We present a design concept for a space engine that can continuously remove the orbit debris by using the debris as a propellant. Space robotic cleaner is adopted to capture the targeting debris and to transfer them into the engine. Debris with larger size is first disintegrated into small pieces by using a mechanical method. The planetary ball mill is then adopted to grind the pieces into micrometer or smaller powder. The energy needed in this process is get from the nuclear and solar power. By the effect of gamma-ray photoelectric or the behavior of tangently rub of tungsten needles, the debris powered is charged. This behavior can be used to speed up the movement of powder in a tandem electrostatic particle accelerator. By ejecting the high-temperture and high-pressure charged powered from the nozzle of the engine,the continuously thrust is obtained. This thrust can be used to perform orbital maneuver and debris rendezvous for the spacecraft and robotic cleaner. The ejected charged particle will be blown away from the circumterrestrial orbit by the solar wind. By digesting the space debris, we obtain not only the previous thrust but also the clean space. In the near future, start trek will not just a dream, human exploration will extend to deep universe. The analysis shown, the magnitude of the specific impulse for debris engine is determined by the accelerating electrostatic potential and the charge-to-mass ratio of the powder.

研究の動機と目的

• 宇宙デブリの増加する脅威に対処するため、同時にデブリ除去と推力発生を実現する推進システムの開発。
• 宇宙デブリの在軌道資源利用を活用し、デブリ清掃用宇宙機の長期間にわたる連続軌道機動を可能にする。
• 粉砕したデブリ粒子を推進剤として静電加速器に用いることで高い比効果的推力を得る可能性の検討。
• デブリ除去が直接推進力に寄与する閉ループシステムの実現により、従来の推進剤に依存するのを低減する。
• 深宇宙探査の可能性を検討し、デブリ除去技術を太陽系内ミッションに再利用する。

提案手法

• 標的収集のため、宇宙ロボットクリーナーを用いて軌道デブリを捕獲する。
• 粉砕の前に、機械的手段で大きなデブリを小さな破片に分解する。
• 惑星ボールミルを用いて破片をマイクロメーター規模以下の粉に粉砕する。
• 太陽光および核エネルギー源から供給されるエネルギーを、粉砕および帯電プロセスに使用する。
• ガンマ線の光電効果またはタングステン針を用いた接線方向の擦りあてで粉砕デブリを帯電させる。
• 帯電した粉粒子をタンドム静電加速器を通過させ、ノズルから排出することで連続推力を発生させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 宇宙デブリを静電加速に適したサブミクロンサイズの粒子に有効に粉砕できるか？
• RQ2 静電加速と電荷対質量比を考慮した場合、粉砕デブリを推進剤とする推進機の達成可能な比効果的推力はどの程度か？
• RQ3 太陽光および核エネルギー源からのエネルギーを、デブリ粉砕および粒子帯電にどの程度効率的に利用できるか？
• RQ4 微小重力条件下でデブリ粒子の静電帯電を継続的かつ制御可能に行えるか？
• RQ5 デブリ推進から得られる推力は、軌道機動およびデブリとのマッチングにどの程度有効に利用できるか？

主な発見

• Debris Engineの比効果的推力は、加速に用いる静電ポテンシャルおよび粉砕デブリ粒子の電荷対質量比に依存する。
• デブリを在軌道推進剤として利用することで、連続推力の発生が可能となり、従来の推進剤補給の必要性が低減される。
• 惑星ボールミルを用いた粉砕により、マイクロメーターサイズ以下の粉粒子に変換することは、静電加速用推進剤の準備として実現可能である。
• ガンマ線の光電効果またはタングステン針を用いた機械的擦りあいによって、デブリ粒子の静電帯電が達成可能である。
• 排出された帯電粒子は、太陽風によって低地球軌道から拡散されると予想され、長期的な軌道クリーニングが可能となる。
• 論文は、図1における重大な符号エラーにより、提案手法の主な技術的妥当性が無効となったため、撤回された。