Numerical and experimental investigation on magnetic nozzle for laser fusion propulsion

• Project/Area Number: 17K14876
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Research Field: Aerospace engineering
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: Morita Taichi 九州大学, 総合理工学研究院, 助教 (30726401)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2019-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2018)
• Budget Amount: ¥4,420,000 (Direct Cost: ¥3,400,000、Indirect Cost: ¥1,020,000); Fiscal Year 2018: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2017: ¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000)
• Keywords: レーザー核融合推進 / レーザー生成プラズマ / レーザートムソン散乱 / プラズマシミュレーション / 磁気ノズル / 磁場計測 / 輻射流体シミュレーション / 粒子シミュレーション / Magnetic nozzle / laser fusion rocket / MHD simulation / laser Thomson scattering / 航空宇宙工学 / 高出力レーザー生成プラズマ

Outline of Final Research Achievements

We demonstrated the extraction of a laser-produced plasma from a magnetic nozzle. The extracted ions were measured with multiple ion collectors located downstream of the system far from the original position.
In addition, the plasma in the magnetic nozzle was successfully measured precisely. This measurement showed that the expanding plasma was decelerated and accelerated by the magnetic field.
Moreover, we demonstrated the thrust vector control by using multiple-coil magnetic nozzle via extracting the laser-produced plasma. We calculated the plasma dynamics with numerical simulations and compared it with the plasma structure observed in the experiment. Also, the calculation indicated that there is a correlation between the thrust vector and the thrust efficiency.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

レーザー核融合に関する研究は米国、欧州、日本が中心となって行われているが、その応用に関する研究はほとんど行われていない。本研究の実験手法と開発した数値計算により、実機を想定した高エネルギー核融合プラズマ実験までのスケーリングを構築できる。
また、高温・高密度プラズマと磁場の相互作用は、普遍的な現象であるにも関わらず、未解決な問題も多く応用分野も広い。例えばレーザー核融合研究における加熱効率の上昇や、太陽プラズマと磁場の相互作用（磁気リコネクション）によるフレアなど我々の生活に大きな影響を与えるプラズマ物理の研究である。 このように本研究は、宇宙推進だけでなく多くの分野への応用が期待できる。

Research Products

• [Journal Article] Portable and noise-tolerant magnetic field generation system (2018)
  • Author(s): M. Edamoto, T. Morita, N. Saito et al.,
  • Journal Title: Review of Scientific Instruments Volume: 89 Issue: 9 Pages: 094706-094706
  • DOI: 10.1063/1.5049217
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Thomson scattering measurement of laser-produced plasma in a magnetic thrust chamber (2018)
  • Author(s): Yutaro ITADANI, TaichiMORITA, Naoya SAITO, Masafumi EDAMOTO, Tomihiko KOJIMA, Mariko TAKAGI, Keisuke NAGASHIMA, Shinsuke FUJIOKA, Akifumi YOGO, Hiroaki NISHIMURA, Atushi SUNAHARA, Yoshitaka MORI, Tomoyuki JOHZAKI, Hideki NAKASHIMA and Naoji YAMAMOTO
  • Journal Title: Plasma fusion Research Volume: 13 Pages: 1306016-1306016
  • NAID: 130006742106
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Experimental demonstration of ion extraction from magnetic thrust chamber for laser fusion rocket (2018)
  • Author(s): Saito Naoya、Yamamoto Naoji、Morita Taichi、Edamoto Masafumi、Nakashima Hideki、Fujioka Shinsuke、Yogo Akifumi、Nishimura Hiroaki、Sunahara Atsushi、Mori Yoshitaka、Johzaki Tomoyuki
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 57 Issue: 5 Pages: 050303-050303
  • DOI: 10.7567/jjap.57.050303
  • NAID: 210000149032
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Control of unsteady laser-produced plasma-flow with a multiple-coil magnetic nozzle (2017)
  • Author(s): Morita Taichi、Edamoto Masafumi、Miura Satoshi、Sunahara Atsushi、Saito Naoya、Itadani Yutaro、Kojima Tomihiko、Mori Yoshitaka、Johzaki Tomoyuki、Kajimura Yoshihiro、Fujioka Shinsuke、Yogo Akifumi、Nishimura Hiroaki、Nakashima Hideki、Yamamoto Naoji
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 7 Issue: 1 Pages: 8910-8910
  • DOI: 10.1038/s41598-017-09273-3
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] レーザー核融合ロケットにおける円錐形ターゲットの数値解析 (2019)
  • Author(s): 山村徹, 枝本雅史, 森田太智, 砂原淳, 藤岡慎介, 城崎知至, 山本直嗣, 中島秀紀
  • Organizer: 宇宙輸送シンポジウム
• [Presentation] 準定常磁気ノズルを用いた レーザー生成プラズマの制御および 推力発生機構の実証 (2018)
  • Author(s): 枝本 雅史, 齋藤 直哉, 森田 太智, 児島 富彦, 高木 麻理子, 中島 秀紀, 砂原 淳, 藤岡 慎介, 西村 博明, 余語 覚文, 梶村 好宏, 森 芳孝, 城崎 知至, 山本 直嗣
  • Organizer: 第62回宇宙科学技術連合講演会
• [Presentation] 磁気スラストチャンバーにおけるプラズマデタッチメントの実験的検証 (2018)
  • Author(s): 高木麻理子, 森田太智, 斎藤直哉, 枝本雅史, 板谷佑太朗, 児島富彦, 藤岡伸介, 余語覚文, 西村博明2) ,砂原淳, 森芳孝, 城崎知至, 中島秀紀, 山本直嗣
  • Organizer: 第62回宇宙科学技術連合講演会
• [Presentation] 磁気ノズルにおけるプラズマデタッチメントの数値解析 (2018)
  • Author(s): 児島富彦, 森田太智, 高木麻理子, 山本直嗣, 諌山翔伍
  • Organizer: 第62回宇宙科学技術連合講演会
• [Presentation] Experimental and Numerical Investigation of Thrust Generation and Vector Control with a Magnetic Thrust Chamber (2017)
  • Author(s): Taichi Morita, Satoshi Miura, Hideo Nagatomo, Atsushi Sunahara, Tomohiko Kojima, Naoya Saito, Yutaro Itadani, Yoshitaka Mori, Tomoyuki Johzaki, Akifumi Yogo , Hiroaki Nishimura , Shinsuke Fujioka , Hideki Nakashima , Naoji Yamamoto
  • Organizer: International Symposium on Space Technology and Science (ISTS)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Numerical Simulation of Laser-ablation Plasma in a Magnetic Thrust Chamber for Demonstration of a Laser Fusion Rocket (2017)
  • Author(s): Tomihiko Kojima, Hideo Nagatomo, Atsushi Sunahara, Masafumi Edamoto, Taichi Morita, Naoji Yamamoto, Naoya Saito, Satoshi Miura, Yutaro Itadani, Shinsuke Fujioka, Akifumi Yogo, Hiroaki Nishimura, Yoshitaka Mori, Tomoyuki Johzaki, Hideki Nakashima
  • Organizer: International Symposium on Space Technology and Science (ISTS)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Plasma extraction and control technique for laser fusion propulsion (2017)
  • Author(s): Taichi Morita, Naoji Yamamoto, Naoya Saito, Masafumi Edamoto, Yutaro Itadani, Tomihiko Kojima, Atsushi Sunahara, Hideo Nagatomo, Shinsuke Fujioka, Tomoyuki Johzaki, Yoshitaka Mori, Mariko Takagi, Keisuke Nagashima, Akifumi Yogo, Hiroaki Nishimura, Hideki Nakashima
  • Organizer: Plasma Conference 2017
• [Presentation] レーザー核融合推進に むけたモデル実験におけるレーザー生成プラズマの制御とプラズマ計測 (2017)
  • Author(s): 森田太智, 山本直嗣, 齋藤直哉, 枝本雅史, 三浦智之, 板谷佑太朗, 砂原淳, 長友英夫, 藤岡慎介, 城崎知至, 森芳孝, 余語覚文, 西村博明, 中島秀紀
  • Organizer: 日本物理学会
• [Remarks] 有人惑星飛行を目指すレーザー核融合ロケット
  • URL: http://art.aees.kyushu-u.ac.jp/research/LFR/laser_fusion.html
• [Remarks] Papers related to laser fusion rocket
  • URL: http://art.aees.kyushu-u.ac.jp/research/LFR/lfr-publications.htm