地球の大気の影響を受けやすい低軌道では、軌道を維持することが難しい場合がある。しかし、このような軌道には、地球観測や通信回線など新たな商業活動のための見晴らしの良さといったメリットもある。そのため、低高度の軌道に衛星を長期間、機能的に維持する方法を見つけ出すことができれば、誰でもインセンティブを得ることができるのだ。そのための最良の方法の1つが、大気中の粒子を取り込んで推力に利用するイオンエンジンだ。最近発表された論文では、このようなエンジンの潜在的な使用例を調査し、商業化への道筋を提案している。
超地球低軌道（Very Low Earth Orbit: VLEO）を維持するための最大の問題の1つは、燃料だ。通常、地上から450km以下、あるいは宇宙ステーションと同程度の高度では、大気が軌道上の物体を引きずり込むため、エンジンによる一定の推進力が必要となる。一般に、大型衛星には大気の抵抗を相殺するための燃料が残されているが、ISSのようなシステムでは追加で打ち上げを行い、常に燃料を補給している。
しかし、ISSのように常に燃料を補給しながら打ち上げを行うシステムには、一生分の燃料もなければ、大気圏での灼熱の死が待っている。多くの衛星がこのような運命をたどるだろう。なぜなら、軌道に十分な燃料を輸送するためのコストは、衛星から得られるデータの利点を上回るからだ。では、燃料を追加することなく軌道を安定させることができるとしたらどうだろう。
そこで登場したのが、ABEP（Atmospheric-Breathing Electric Propulsion）システムだ。上空450kmでも比較的多く存在する大気中の粒子を取り込み、それを電気イオン駆動装置の燃料として使用する。これまでにも、重力のない宇宙空間で同様の推進システムをテストしたことはあるが、大気圏内で動作させたものはなかった。しかし、近い将来、それが変わるかもしれない。
米国、EU、日本のいくつかのグループがABEPシステムの可能性を研究しているが、ESAのグループが最も進んでいるようだ。ESAのHorizon 2020プログラムからの資金提供を受け、シュトゥットガルト大学を拠点とするDISCOVERと呼ばれるプロジェクトでは、ABEPの2つの主要な構成要素を研究している。DISCOVERのシステム設計では、大気取入口が大気中の粒子をイオンエンジンに送り込み、プラズマ推力がそれらの粒子をイオン化して機体の後部から放出する。
このようなシステムを搭載した衛星であれば、燃料は無限にあり、その地域の他の衛星に燃料を補給することも可能だ。ESAチームは、ABEP推進システムの技術について、いくつかの潜在的な使用例を検討し、現在の技術がその用途のニーズを満たすのに十分であるかどうかを評価する攻撃計画のようなものを発表した。
その第一弾として、450km以下の高さで地球を回る安定した軌道を維持するための応用が期待されている。コンセプトとしては比較的単純だが、実際に実現するのはまだ難しい。論文によると、現在テスト中のABEPエンジンのタイプでは、180〜250kmの軌道がスイートスポットである。それ以上だと、燃料となる大気中の粒子が足りなくなる。これ以上低いと、スラスターが打ち消すことのできる大気抵抗が大きくなってしまう。
研究者たちは、他の使用シナリオに外挿し、火星周回軌道でのメンテナンス・ミッションがどのようなものかを検討した。地球の軌道ほどではないが、火星の大気の密度がかなり低いことを考えると、ABEPミッションは外部燃料を使わずに130〜160kmの火星軌道を維持できる可能性が高い。
さらに一歩進んで、ABEPを動力源とする衛星は、燃料として使用する大気を集める独自のメカニズムを持たずに打ち上げられる他の船に、追加の燃料を提供することさえできる。現在の技術水準では、地球周辺では実現性が低く、ABEP燃料補給機が提供する量の燃料を必要とするのは超小型衛星だけだ。
一方、火星では大気抵抗が小さいため、このようなミッションは実現可能だ。しかし、火星軌道での燃料補給は、宇宙インフラが整備されている現時点では、必ずしも高い需要があるわけではない。
仮にそうであったとしても、ABEPには他の潜在的な危険性がある。地球軌道上では、機体の部品は元素状酸素にさらされることになる。そのため、船の耐酸化性が寿命の決め手になるかもしれない。これはまた別の工学的な課題だ。
今のところ、ABEPはすべてプロトタイプの段階であり、どのミッションも飛行するのはしばらく先のことになるだろう。しかし、タイタンのような大気に覆われた他の惑星で、軌道上でのメンテナンスや燃料補給のミッションがどのように実現可能かを調べるなど、モデル化の作業はまだたくさん残っている。このエレガントなソリューションは、まだ開発サイクルの初期段階ですが、非常に厄介な問題の解決に役立つ可能性がある。
研究の要旨
超低高度軌道（VLEO）での衛星運用は、地球観測やそれ以外の用途で、すでに拡大している新宇宙産業にとって有益だ。しかし、このような低高度での長期運用には、大きな空気抵抗を補うための推進システムが必要となる。従来の推進システムを使用する場合、貯蔵可能な推進剤の量によってミッションの最大寿命が制限される。そこで、大気中の微粒子を回収し、電気スラスタの推進剤として利用する大気呼吸型電気推進（ABEP）システムを採用することで、後者の制約を回避することができる。これにより、理想的には推進剤の搭載を不要にすることができる。シュトゥットガルト大学の宇宙システム研究所（IRS）では、Horizons 2020が資金提供するDISCOVERプロジェクトにおいて、ABEPシステム用の吸気とRFヘリコンを用いたプラズマスラスタ（IPT）の開発が行われている。将来起こりうるユースケースを評価するために、この論文ではABEPに基づくいくつかの新しいミッションシナリオを提案し、分析する。VLEOでの技術実証ミッションから始まり、より複雑なミッションシナリオが導き出され、詳細に議論されている。これらには、特に、火星周りの軌道維持、燃料補給および宇宙牽引ミッションが含まれる。その結果、ABEPシステムは、軌道維持のための抵抗を補正できるだけでなく、軌道修正を行い、スペースタグや燃料補給などの用途のための推進剤を回収することができることがわかりました。このように、将来のさまざまなミッションへの応用を示すものだ。
この記事は、Universe Todayに掲載されたものを、クリエイティブ・コモンズ・ライセンス（表示4.0 国際）に則り、翻訳・転載したものです。元記事はこちらからお読み頂けます。
