2025年6月3日

　 

　 

燃料を使わずトラクターミリ波ビームで ロケットに推進力を与える実証実験に成功
─ 地球と地球外惑星からのロケット打ち上げに期待 ─

　 

　 

【発表のポイント】

　 

　 

　 

【概要】

　ミリ波ビームをロケットに照射して無燃料で打ち上げる「マイクロ波（注 3）ロ ケット」は、次世代の低コスト宇宙輸送システムとして注目されています。し かし、照射されたビームの射線上にプラズマが残留し、ビームを繰り返し照射 した際に推力が低下するという課題がありました。
　東北大学大学院工学研究科の高橋聖幸准教授と山田峻大大学院生（研究当 時）、筑波大学 数理物質系 / プラズマ研究センターの南龍太郎准教授と假家強 教授、東京都立大学大学院システムデザイン研究科の嶋村耕平准教授らは、独 自に開発した「トラクターミリ波ビーム推進機」の推力生成実験を行い、ロケ ット前方からのミリ波ビームの照射により、ビーム源に引き寄せられるような 推力を発生させることに世界で初めて成功しました。これにより、プラズマは ロケット後方へと排気され、ビームの射線上には残留せず、繰り返しビーム照 射時の推進性能が維持される可能性が示されました。この推進技術は、地球か らの打ち上げのみならず、軌道上衛星からのトラクタービーム照射により火星 など地球外惑星からの離脱ができる可能性があり、将来の宇宙ミッションに貢 献することが期待されます。
　本研究成果は、2025 年 5 月 20 日付けの科学誌 Scientific Reports に掲載さ れました。

　 

　 

【詳細な説明】

研究の背景

　現在、宇宙にアクセスする手段は化学燃料を用いたロケットが主流ですが、 この方式では大量の燃料が必要なため、打ち上げコストが非常に高額になりま す。打ち上げコストを削減し、宇宙利用を加速するための方法のひとつが「マ イクロ波ロケット」です。これは、地上基地からマイクロ波の一種である高強 度のミリ波ビームをロケットに照射し、燃料を使用せずに推力を生成する方式 です。
　円筒状のロケットノズル先頭には放物面ミラー（光を一点に集める曲面鏡） が取り付けられており、このミラーによってミリ波ビームが集光され、集光点 付近の空気が高強度電場によって電離し、プラズマ（気体が電気を帯びた状態） を生成します。このプラズマは、ミリ秒程度のパルス幅（ビームを継続的に照 射する時間）で照射されるミリ波ビームのエネルギーを吸収し、加熱されます。 その熱は急速に周囲の空気に伝わり、衝撃波と呼ばれる高圧の波が発生し、こ の衝撃波がロケットノズルを押すことで推進力が生まれます。
　プラズマはロケットノズル下流の出口から排気され、ロケットノズル内の空 気が換気され、新鮮な空気に入れ替わります。この繰り返しにより、ミリ波ビ ームが照射されるたびに推進力が生成されます。
　ロケット周囲の大気が燃料の役割を果たし、搭載燃料の削減につながり、打 ち上げコストの大幅な低減が期待できます。過去の具体的な試算によると、低 コストのマイクロ波ロケットの繰り返し打ち上げによって、最終的な打ち上げ 費用が従来の 1/4 以下に削減できると期待されています[1]。
　一方、実用化に向けた課題のひとつは、ミリ波ビームを繰り返し照射した際 の推力低下です。ミリ波ビーム照射後にロケットノズル内部のプラズマが排気 され、新鮮な空気と入れ替わることが理想ですが、実際にはプラズマが残留し ます。この残留プラズマがきっかけとなって電離過程が繰り返し誘発されるこ とで、高密度なプラズマへと成長します。これがロケットノズル先頭付近で発 生すれば高推力となりますが、実際にはノズル出口付近にもプラズマが残留し、 かつビームはノズル出口から先頭に向かって投入されるため、新たな高密度プ ラズマの生成位置がノズル出口にシフトします。この過程が繰り返されると、 いずれはプラズマ生成位置がノズル出口からはみ出し、推力生成が困難となり ます。したがって、プラズマを上手に排気し、プラズマがビーム射線上に溜ま らないような機体設計が必要です。

　 

今回の取り組み

　従来の機体設計では、ミリ波ビーム投入口とプラズマ排気口は同一（ロケッ トノズル下流の出口）であり、照射されたビームライン上に必ずプラズマが残 留してしまいます。東北大学の研究グループは過去に、ロケット前方からミリ 波ビームを照射し、後方からプラズマ排気を行う新しい機体設計を考案しまし た。前方から照射されたビームに向かってロケットが飛行し、まるで SF 映画 に登場するトラクター（牽引）ビームのように、ビーム源にロケットが引き寄 せられるため、提案した推進システムを「トラクターミリ波ビーム推進 （Tractor Millimeter-wave Beam Propulsion：TMiP）」と呼んでいます。ビー ム源に向かってロケットが加速されるに従って、プラズマがロケット後方へと 高速で排気されるので、残留プラズマがビームの射線を遮らず、繰り返しビー ムを照射した際の推力低下が緩和されると期待されています。
　TMiP の全体構想としては、宇宙の軌道上にビーム源を搭載した衛星を予め 飛行させておき、そのビーム衛星に向かってロケットを引き寄せるようにして 動作させます。これは、まるで UFO が物体を地上から引き上げる様子にも似 ています。また、地球からのロケット打ち上げだけでなく、火星など地球外惑 星の軌道上にビーム衛星を予め投入しておけば、惑星大気を燃料としてロケッ トを衛星軌道に引き寄せるようにして浮かせ、惑星から離脱させることが可能 となります（図 1）。現在の宇宙技術では地球外惑星からのロケット打ち上げ は困難で、行ったきりの片道切符と考えられていますが、もし TMiP が実用化 されれば、火星表面などから人類や物資をトラクタービームで回収し、地球へ と送り返すような宇宙ミッションが現実のものとなるかもしれません。
　さて、このような夢のある TMiP に関して、研究グループでは数値シミュレ ーションを主として研究を進めてきましたが[2–7]、トラクタービーム源方向 へ推力が生成できるのかは実証されていませんでした。今回、東北大学大学院 工学研究科の高橋聖幸准教授と山田峻大大学院生（研究当時）、筑波大学 数理 物質系 / プラズマ研究センターの南龍太郎准教授と假家強教授、東京都立大学 大学院システムデザイン研究科の嶋村耕平准教授の研究グループは、TMiP の 推力生成の実証実験を行いました。

　 

　実験で用いた TMiP の機体デザインにおいては、プラズマおよび推力生成の ために工夫を凝らしました。円筒状のロケット本体の前方に、フッ素樹脂のポ リテトラフルオロエチレン（PTFE; よく知られているものとしてテフロン TM がある）を材料としたビーム集光レンズを取り付けます（図 2）。PTFE はミリ 波ビームに対して高い透過性を持っており、ビームエネルギーの損失を抑える ことができます。これによってロケット前方から照射されたトラクタービーム を、ロケット本体の円筒ボディの内部で集光し、集光点付近の高電場強度によ ってプラズマを生成します。プラズマの熱が円筒ボディ内に充填された空気に 伝達され高温ガスとなり、この高温ガスがビーム集光レンズをビーム源方向に 向かって押すことで、推力が生成されるといった設計としました（図 3）。ま たロケットが加速されると、ビーム集光レンズ脇に配置された吸気口から新鮮 な空気が取り込まれるとともに、プラズマがロケット下流に排気され、次のビ ーム照射に向けて準備が整うといった流れとなっています。
　この TMiP を研究グループで開発した振り子式推力測定装置に取り付け、筑 波大学プラズマ研究センター所有の核融合用ジャイロトロンから 28 GHz、 210 kW のミリ波ビームを発振し、TMiP 前方から照射して推力を測定しまし た。この際、推力の基本的特性を捉えるために、ビームを繰り返し発振するの ではなく、単発のシングルパルス発振としました。このビーム照射によってレ ンズ集光点付近からのプラズマ生成に成功し、この様子をデジタルカメラにて 捉えることができました（図 4）。また加熱されたガスがビーム集光レンズを 押すことで、ビーム源に向かってロケットを加速する推力が生成されることが 実験的に確かめられ、TMiP の実証に成功しました。
　続いてビームエネルギー、ビームのパルス幅、ビーム集光レンズの焦点距離 を変化させ、プラズマ構造や推進効率（運動量結合係数という指標で評価され る）がどのように変化するかを調べました。ビームエネルギーを大きくする、 あるいはパルス幅を長くした場合、集光点付近で生成されたプラズマの前縁が、 より長距離に渡ってビーム源方向に伝搬していくことが分かりました。このプ ラズマフロントがレンズに到達しても、なおビームを照射し続けた場合、レン ズ脇に設置された吸気口よりプラズマが流出し、推進効率が低下することが分 かりました。従って、推進効率を最大化するためには、プラズマフロントの伝 搬距離がレンズの焦点距離を超えないような条件とすべきであると言えます。 この条件は、プラズマフロントの伝搬距離をレンズの焦点距離で割った「無次 元プラズマフロント伝搬距離」を用いて整理できます。すなわち、この指標が 1 を下回れば高い推進効率となり得ます。最後に、研究グループで開発したビ ーム伝搬および圧縮性流体シミュレーターを組み合わせ、より推進効率を高め られる機体設計を模索しました。円筒ボディの直径を小さくすることで、ロケ ット内部の高圧ガスを狭いロケット体積内に封じ込めて高圧力を達成し、推進 効率をより高められることが示されました。

　 

　 

今後の展開

　本研究では、トラクターミリ波ビームによって駆動される無燃料ロケット 「トラクターミリ波ビーム推進機」の推力生成の実証に成功しました。これに より、ミリ波ビームによるロケット打ち上げの実現に向けた重要な一歩を踏み 出したと言えます。また、地球外惑星からのロケット打ち上げに対しても、そ の実現可能性を高められたと言えます。今回の取り組みでは、シングルパルス 照射による推力生成のみでしたが、今後は、繰り返しパルスビームを用いた打 ち上げ試験を行い、トラクターミリ波ビームによる打ち上げを実証する予定で す。

　 

【謝辞】

　本研究は JSPS 科研費 JP24K07879 の助成を受けて実施されました。また、 本論文は「東北大学 2025 年度オープンアクセス推進のための APC 支援事業」 の支援を受けました。

　 

【用語説明】

　 

【参考文献】

[1] M. Fukunari, A. Arnault, T. Yamaguchi, and K. Komurasaki, “Replacement of chemical rocket launchers by beamed energy propulsion,” Applied Optics, Vol. 53, pp. 16–22 (2014).
[2] M. Takahashi and N. Ohnishi, “Computational studies for plasma filamentation by magnetic field in atmospheric microwave discharge,” Applied Physical Letters, Vol. 105, 223504 (2015).
[3] M. Takahashi and N. Ohnishi, “Plasma filamentation and shock wave enhancement in microwave rockets by combining low-frequency microwaves with external magnetic field,” Journal of Applied Physics, Vol. 120, 063303 (2016).
[4] M. Takahashi, Y. Kageyama, and N. Ohnishi, “Joule-heating-supported plasma filamentation and branching during subcritical microwave irradiation,” AIP Advances, Vol. 7, 055206 (2017).
[5] M. Takahashi, “Coupling simulation on two-dimensional axisymmetric beaming propulsion system,” Journal of Physics: Conference Series, Vol. 2207, 012047 (2022).
[6] M. Takahashi, “Microwave-driven in-tube accelerator,” Journal of Propulsion and Power (under review).
[7] S. Suzuki and M. Takahashi, “Numerical simulation of electromagneticwave interference induced by ionization-front of millimeter-wave discharge at subcritical conditions and application to discharge structure identification,” Journal of Applied Physics, Vol. 136, 153301 (2024).

　 

【論文情報】

タイトル：Experimental demonstration of tractor millimeter wave beam propulsion
著者：Masayuki Takahashi*, Toshiki Yamada, Ryutaro Minami, Tsuyoshi Kariya, and Kohei Shimamura
*責任著者：東北大学大学院工学研究科 航空宇宙工学専攻 准教授 高橋 聖幸
掲載誌：Scientific Report, Vol. 15, 17544 (2025).
DOI：10.1038/s41598-025-02791-5
URL：https://www.nature.com/articles/s41598-025-02791-5

　 

図 1. トラクタービームによるロケット打ち上げの概念図。 予めビームを搭載 した衛星を軌道上に飛行させ、トラクタービームによってロケットを牽引する。

　 

図 2. 提案したトラクターミリ波ビーム推進機。

　 

(a) 前方からの写真。

(b) 後方からの写真。

図 3. 開発機体の写真。円筒状メインボディの前面にテフロンレンズを装着し、 ロケット前方から照射されたビームをメインボディ内部で集光する設計となっ ている。

　 

図 4. トラクターミリ波ビーム推進機におけるビーム照射実験とプラズマの様 子。プラズマはレンズの集光点付近で生成され、ビーム源方向に向かって伝搬 していく。パルス幅が長いとプラズマフロントがレンズに到達し、それでもな おビーム照射を継続すると、レンズ脇の吸気口からロケット外部へと流出し、 推進効率が低下することが分かった。高い推進効率を達成するためには、プラ ズマフロントの伝搬距離はレンズの焦点距離を超えないよう、設計する必要が ある。

　 

　 

【問い合わせ先】
（研究に関すること）
東北大学大学院工学研究科
准教授 高橋 聖幸
TEL: 022-795-3864
Email: masayuki.takahashi.c8@tohoku.ac.jp

（報道に関すること）
東北大学大学院工学研究科情報広報室
担当 沼澤 みどり
TEL: 022-795-5898
Email: eng-pr@grp.tohoku.ac.jp

　 

　 

　 

　 

　 

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