NASA ミッションのイオンスラスタが宇宙探査の限界を塗り替える

3月初旬、NASAのドーン宇宙船は準惑星セレスの軌道に入る。「私たちはまったく新しい世界を見ることになるでしょう」とドーンの主任エンジニア兼ミッションディレクターのマーク・レイマンは言う。打ち上げから8年、小惑星帯で2番目に大きい天体ベスタを訪れてから4年が経ち、ドーンは1回のミッションで2つの地球外原始惑星を周回する初の宇宙船となる。

この成果は、直径約 1 フィートのイオン エンジンによって可能になりました。各エンジン内では、キセノン原子が電子と衝突してイオンを形成します。各エンジンの背面にある金属グリッドは約 1,000 ボルトに充電され、最高時速 90,000 マイルでイオンを発射します。推力はごくわずかです (エンジンがドーンに及ぼす圧力を概算するには、紙を 1 枚取り、その上に手のひらを置きます。これでほぼわかります)。しかし、無重力で摩擦のない環境では、この推力の効果は徐々に増大します。最速では、ドーンは時速約 24,000 マイルで移動できます。また、イオンが非常に高速で移動するため、エンジンに必要な推進剤が少なくて済み、従来の化学燃料よりも 10 倍効率的です。

ドーンのエンジンを開発したジョン・ブロフィー氏は、イオン推進が「業界を席巻しつつある」と語る。

これらすべてが映画で見たもののように見えるなら、それはおそらくすでに見たことがあるからでしょう。スターウォーズでは、ダースベイダーの TIE ファイターはイオンエンジンを使用して銀河帝国を疾走するホットロッドです。ダースベイダーのお気に入りの乗り物と同じように、ドーンは太陽エネルギーを使用して、電力を大量に消費するエンジンに電子を供給します。2 つのソーラーパネルはそれぞれ 27 フィート、つまりシングルスのテニスコートの幅です。宇宙船に保管する必要がある化学燃料とは異なり、これらのパネルはほぼ無尽蔵のエネルギー源を供給します。

イオン推進は、これまでにない効率的な資源利用により、NASA の予算を圧倒するか「まったく不可能」な、遠距離の長期ミッションを可能にするとレイマン氏は言う。イオン推進では、連続的な推進力により、燃料を全て燃やすことなく、宇宙船がさまざまな物体の軌道に容易にかつ安定して入ることができるため、宇宙船は複数の物体に移動できるようになった。

「業界を席巻している」

「オフロード走行のようなものです」とNASAの惑星科学部門のディレクター、ジム・グリーン氏は言う。「すべての惑星は、確立された軌道、つまり道路上を回っています。イオンエンジンがあれば、道路をたどる必要はありません。ただ離陸して近道を使えば、木星まで約5天文単位のさまざまな場所に行くことができます。」

イオン推進は、人類の宇宙探査の可能性をさらに広げました。将来のミッションでは、火星やその他の遠隔地にいる宇宙飛行士に物資を送ったり送ったりするのに使用される可能性があります。

しかし、イオン動力エンジンは特定の種類の宇宙ミッションにしか役に立たない。人類を他の惑星に輸送するには遅すぎる。ドーンが時速 0 マイルから 60 マイルまで加速するには 4 日かかる。患者ミッション用に設計されたイオン推進装置は、火星や金星などの目的地への単純なミッションにはコストがかかり複雑すぎるとレイマン氏は言う。

宇宙での電気エンジンシステムの使用は、1世紀以上も前から行われてきました。アメリカのロケットパイオニアであるロバート・ゴダードは、1906年に初めて電気推進のアイデアに言及しました。ゴダードが実験を行ったのはその約10年後ですが、NASAでイオンスラスタが機能するようになったのは、研究者が弾道試験を行った1960年代になってからでした。最終的に、ディープ・スペース1号は1998年に打ち上げられ、イオン推進が宇宙船で機能することを実証しました。DS1はもともと12の実験技術をテストすることを目的としていましたが、イオンスラスタのおかげで、小惑星9969ブレイルとボレリー彗星へのフライバイを成功させ、当時人類が目にした中で最高の彗星の画像とデータをもたらしました。2007年に打ち上げられたドーンは、この技術を使用した最初の純粋な科学ミッションです。

商用衛星は 1979 年からイオン スラスタを使用しています。では、科学者がイオン スラスタを宇宙船に搭載するのになぜこれほど長い時間がかかったのでしょうか。それは、これまでこのようなニッチな技術に大規模な用途がなかったからかもしれません。「私たちは技術を開発するためだけに技術を開発しているわけではありません」とグリーン氏は言います。「本当に重要なのは、私たちがやりたい科学の種類と、どの技術がほぼ完成しているかということです。」

火星への足がかり

どうやら、世界はイオン推進を宇宙探査に活用する準備が整ったようだ。NASA の小惑星リダイレクト ミッションは、地球近傍小惑星を月の周りの安定した軌道に移動させる初めてのミッションとなる。宇宙船はイオン推進を使用して、まだ特定されていない小惑星に到達し、それをバッグに捕獲し、化学推進を使用して回転を止め、最後に月の軌道に戻す。このミッションは、通常の燃料では実現不可能だ。「これを実現できる唯一の技術は、高出力の太陽電気推進です」とブロフィ氏は言う。「ドーンの規模では機能することが分かっていますが、火星に必要なのは、はるかに高出力のシステムです。小惑星リダイレクト ミッションは、そこに到達するための良い足がかりとして中間にあるのです。」