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大電力・大推力作動に最適な「ホールスラスタ」の可能性

宇宙探査の現在と可能性(8)大電力電気推進-2

小泉宏之
東京大学大学院新領域創成科学研究科准教授
情報・テキスト
膨大な電力を発電するためには、軽量の太陽電池パネルを用いるという方法もある。またイオンエンジンの他にも、電気推進機にはホールスラスタがある。有人火星探査をシミュレーションする際には、この技術も非常に重要である。(全10話中第8話)
時間:08:06
収録日:2019/06/11
追加日:2019/07/13
ジャンル:
≪全文≫

●太陽光パネルの質量を想定する必要がある


 2000キロワットを発電するためには、どれくらいのパネルが必要なのでしょうか。仮に宇宙ステーションで使っている太陽電子パネルを使うと、そのまま20倍にした場合、およそ60トンの重さが必要になります。そうすると、宇宙船全体でほぼ同じ重さになってしまいます。そこで、以下では研究開発中の新しい技術を導入して、見積もりを進めてみたいと思います。


●薄膜軽量太陽電池パネルの使用を想定してみる


 JAXAが「DESTINY+」という計画を進めています。これはまだ正式なプロジェクトになっていないのですが、このキーテクノロジーの1つに、「薄膜軽量太陽電池パネル」というものがあります。これは、質量あたりの発電量が今までの3倍という、非常に優れた太陽電池パネルです。これを使うと、約2000キロワットを発電するためのパネルは20トンで済むことになります。

 もちろん、太陽電池パネルを増やすといっても、ロケットに搭載できるのか、宇宙で展開できるのか、軌道上の組み立てはどのように行うのか等、さまざまな問題があります。ここではこうした問題をさしあたりおいておき、このDESTENY+で使おうとしている薄膜軽量太陽電池パネルを使って、約2000キロワットが20トンで済むようになると想定してみます。

 この技術を使うことを仮定すると、先ほどの概算スライドに、軽量太陽電池と電気推進機の24トンがプラスされます。エンジン自体も必要ですので、その重さを4トンとして計量しています。イオンエンジンとして4トンは少し軽いのですが、太陽電池パネルと電源とエンジン本体で、24トンで済むだろうという想定です。そうすると、トータルが92トンになります。先ほど70トンだったものが、90トンになる程度の増加で済むということです。

 これをうまく使い、イオンエンジンで1000キロワットを出力した場合、再計算すると、出発質量は約200トン程度で済みます。燃料型エンジンの場合、地球出発時の重さが750~800トンだったので200トン程度で済むということと、さらに発電量が20倍になっており加速時間も1年であるということを考えれば、より効率が良くなっているといえます。

 イオンエンジンの場合、軌道はスパイラルで抜けていくので、最初にお見せした燃料型エンジンの楕円軌道とはかなり異なりますが、概算で200トン程度、加速時間1年程度で往復ができるという見積もりになります。


●大電力・大推力に最適なホールスラスタ


 ここまで、イオンエンジンについて説明してきましたが、電気推進機の中にはもう少し適したエンジンがあるので、これを少しだけ紹介したいと思います。それは、「ホールスラスタ」と呼ばれるもので、最近では地球周回域の人工衛星で非常によく使われている、大電力・大推力に最適なエンジンです。

 このエンジンの運転の仕組みは非常に説明が難しいのですが、ホールスラスタとは、電子が磁場にうまくトラップされた状態で、イオンだけを下流に加速するエンジンです。このスライドに写っている写真がホールスラスタです。半径方向に磁場が通っているのですが、ドーナツ状にプラズマをつくり、縁の軸方向上にイオンを吐き出すようなエンジンになっています。

 その特徴は、大型で大きな力を出すことができるという点です。また、イオンを加速するための電圧も、基本的には200~300ボルトほどで、作動電圧が非常に低いことも特徴の1つです。イオンエンジンは基本的に約1キロボルトを使うので、3分の1ほどの作動電圧で駆動できます。

 ホールスラスタの場合、例えば、太陽電池で発電した電圧のままで駆動することができます。これは「ダイレクトドライブ」というのですが、電源が不要になります。これも、軽量化という観点では役に立ちます。


●ホールスラスタはコンパクトかつ大推力である


 ここでは大きさを確認したいのですが、スライドの右側で示しているのがイオンエンジンで、左側がホールスラスタです。外形は良さとも10センチほどですが、両者の間には数倍の力の差があります。はやぶさで使ったイオンエンジンと2000年ごろに作られた探査機であるSMART1のホールスラスタを比較すると、どちらも外形は10センチほどですが、推力差は約9倍です。

 仮に、このSMART1で使われたPPS-1350というホールスラスタと同じ推力をイオンエンジンで出そうとすると、先ほど少しお話ししたDAWNという探査機で使った、直径約30センチの非常に大きなイ...
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