水で推力を作り出す指先サイズの超小型スラスターが小型衛星のあり方を変える

masapoco
投稿日 2023年9月18日 6:38
Mini space thruster that runs on water

欧州宇宙機関(ESA)の一般支援技術プログラム(GSTP)のもと、インペリアル・カレッジ・ロンドンの研究者は、イリジウム触媒電解キューブサットスラスター(Iridium Catalysed Electrolysis CubeSat Thruster: ICE-Cube Thruster)と呼ばれるマイクロスケールロケットエンジンを開発している。このエンジンは、電流を使って水を水素と酸素に分解するプロセスである電気分解に基づいている

電気分解により推進剤を生成

最小クラスの人工衛星を操縦するために設計されたこの小さな宇宙用スラスターは、水の電気分解によって生成される水素と酸素の推進剤を利用する。かさばる気体推進剤を貯蔵する必要はなく、関連する電解槽が20ワットの電流を水に流して水素と酸素を生成し、スラスターを推進するのだ。

スラスターチップ全体の長さは指の爪ほどで、燃焼室とノズルの長さは1mmにも満たない。このスラスターは非常に小さいため、マイクロエレクトロニクス分野の手法を借りたMEMS(Micro-Electrical Mechanical Systems)アプローチで組み立てられる。

テスト・キャンペーンにおいて、ICE-Cubeスラスターは、比推力185秒で1.25ミリニュートンの推力を持続的に達成した。これは、スペースシャトルで使用されているエンジンの5億分の1の推力である。この試験は、ESAの一般支援技術プログラムの脱リスク活動を通じて行われ、実験室試験でスラスタの実現可能性を証明した。

ICE-Cubeスラスターは、急成長する小型衛星市場のニーズに応えるために設計された。データによれば、宇宙船の年間配備数は、2016年の3倍以上になると予測されている。この成長市場のうち、10kg未満の超小型衛星は、2017年に打ち上げられた宇宙船の約90%を占めた。

このような小さな衛星には非常に厳しい制約があり、推進システムの統合を困難にしている。推進システムは非常に小さく、非常に低い電力で作動し、ほとんどの場合、非加圧で無毒の推進剤を使用することが要求される。

ICE-Cubeスラスターは、電解槽を使用して宇宙空間で水を水素と酸素の構成分子に分解し、これを直接スラスターに供給することで、これらの要件を満たしている。このシステムには、コンパクトで軽量なタンクで危険性のない推進剤を簡単に保管できることや、水素/酸素の高い性能など、いくつかの利点がある。さらに、水の電気分解に必要な電力は、同等の電気推進装置の数分の一に過ぎず、これは超小型衛星で利用可能な電力範囲内に十分に収まる。

ICE-Cubeスラスターの特徴は、その製造工程にある。マイクロエレクトロニクス分野で一般的な技術であるMEMSアプローチが採用された。この革新的な手法により、スラスター・コンポーネントをサブ・マイクロメートルの精度で組み立てることが可能になり、驚異的な低コストでスケーラビリティとバッチ生産が可能になった。

ICE-Cubeスラスターは、ESAの一般支援技術プログラム(GSTP)の下で開発された。この活動で収集された実験データは、電解槽を含む推進システムの飛行表現モデルの開発に役立つ。この開発は、インペリアル・カレッジ・ロンドンと共同でURA Thrusterが主導する。

ICE-Cubeスラスターは、同じくインペリアル・カレッジ・ロンドンで開発された高推力(1N)のICE-200スラスターのマイクロスケールバージョンである。ICE-200スラスターは、水の電気分解とイリジウム触媒の原理は同じだが、燃焼室とノズルが大きくなっている。

ICE-200スラスタは、ESAが2024年に月面通信サービスを実証するルナ・パスファインダー・ミッションに採用しされた。このスラスタは、ルナ・パスファインダー探査機の姿勢制御と軌道維持を行う。

ICE-CubeスラスターとICE-200スラスターは、水を宇宙ミッションのグリーンで効率的な推進剤として使用できることを示す例である。研究者たちは、この技術が将来、小型衛星の新たな用途や能力を可能にすることを期待している。


Sources



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