イオンエンジンとは (イオンエンジンとは) [単語記事]

イオンエンジンとは、外宇宙航行用のロケットエンジンの一種である。

概要

宇宙開発黎明期当初、惑星探査機といえば一度ロケットで地球の重力圏から飛び出せばあとは投げっぱなし。途中で多少の軌道修正こそあれどエンジンを噴射し続けることはない。だがそれでは目的の惑星までの速度を出すのに強力なロケットが必要になり、コストも膨大なものになってしまう。21世紀以降、宇宙開発の少コスト化が叫ばれるようになった近年では、一旦地球の重力圏から脱した後は「小さな推力で超長時間駆動可能なエンジン」を使用することで打ち上げコストの圧縮、目的地までの期間短縮、容易な軌道変更を可能とするミッションが増えてきた。この「小さな推力で超長時間駆動可能なエンジン」こそがイオンエンジンをはじめとする電気駆動ロケットである。

特徴

推力は小さい
- 大抵はミリニュートン単位、コイン一個程度の力しか出すことができない。だがコイン一個程度でも馬鹿にはできない。宇宙には大気の抵抗が存在しないため、何年も時間をかけて噴射を続ければ理論上太陽系脱出も不可能ではないのだ。
比推力が大きい
- 比推力とはいわばロケットエンジンの燃費を表す単位である。値が大きければ大きいほど同じ推進剤の質量、同じ推力でより長く駆動することができる。液体燃料ロケットの場合最大でも450秒台だが、イオンエンジンは最大で3000 秒以上に達する。これは噴射速度が化学ロケットを遥かに上回ることと、要するエネルギーが推進剤の化学反応ではなく太陽光から無尽蔵に得られる電気エネルギーによるところが大きい。これにより（年単位の使用にかかわらず）推進剤を含めたエンジン全体の重量が非常に軽く済み、探査機に掛かる重量負担が大きく減ることになるのである。

仕組み

イオンエンジンにおけるイオンとは、原子から電子を全て剥ぎ取ったもの、つまり原子核のことである。イオンエンジンとは推進剤を一旦電子とイオンをバラバラにしたプラズマに変えてから、イオンのみを電気の力で加速して噴射するタイプのロケットエンジンなのである。推進剤には原子量が大きくかつイオンになりやすいセシウムや水銀、キセノンなどが主に用いられる。

静電イオンスラスタ

静電気の力でイオンを加速噴射するタイプで、探査機「はやぶさ」に搭載されているのもこれである。何らかの方法でプラズマを発生させて、これに強い電界をかける。するとプラスに帯電したイオンはマイナスの電極の方に向かって加速する。マイナス電極は金網状になっているのでイオンはそのまま電極を通り抜けてエンジン外に噴射される。比推力は極めて高いが、マイナス電極がイオンの流れを妨げる形になっているため推力は小さく、高温のイオンにさらされるマイナス電極の寿命も短い。より効率よく寿命も長いプラズマ源の開発も課題である。

ホールスラスタ

磁場の力でイオンを加速噴射するタイプである。プラズマの流れに磁場をかけるとプラズマは電子とイオンに分離する。電子は質量が小さいので磁場に巻き付く形でエンジン内にとどまり、推進剤をプラズマ化させる役目を担う。イオンは互いの反発により加速されてエンジン外に噴射される。静電イオンスラスタよりもエネルギー効率が高く、イオンの流れを妨げるマイナス電極がないので推力も高い。ただ比推力はやや劣り、磁石を使用しているので重量もかさむ。また推力のばらつきも大きい。

中和装置

静電イオンスラスタとホールスラスタのいずれもプラスに帯電したイオンのみを噴射することで推進力を得る。ところが、長時間運転を続けると次第に探査機自体にマイナスの電気が溜まってくる。そうなるとせっかく噴射したイオンが戻ってきてしまう。これを防ぐにはイオンの噴射に探査機に溜まった電子を流し込んで電荷を中性にする必要がある。このための装置が中和装置である。

コロイドスラスタ

最近実用化された新しいタイプのイオンエンジン。細い管に導電性の液体を詰めて高電圧をかけると電気反発力が表面張力を上回り、液体は管の端から帯電した細かい粒子（コロイド）となって飛び散る、この粒子を別の電極で加速して噴射する。推進剤には主に低温でも凍結しにくいイオン液体が用いられる。

使用している主な探査機

はやぶさ(2003・日)
- もはや説明するまでもない日本初の小惑星探査機。使用しているエンジンは静電イオンスラスタタイプのμ10が4基。μ10の名の意味はマイクロ波とミューロケットをかけたもの＋直径10cmである。プラズマ源と中和器の両方にマイクロ波で発生させたプラズマを使用することで電極を廃止。またマイナス電極には耐久性の高い素材を使用、これらにより寿命が大幅に向上している。後継機のはやぶさ2には推力を増強した改良型を使用
ディープ・スペース1号(1998・米)
- 自律航行とイオンエンジン運用のための試験機。以降の様々な探査機の手本となった。
SMART-1(2003・欧)
- 静止トランスファ軌道から一年以上かけて月周回軌道に到達
ドーン(2007・米)
- 打ち上げから4年で小惑星ベスタに到着して一年間周回。後、さらに3年かけて準惑星ケレスに到着。長期間に渡る柔軟なミッションもイオンエンジンならでは。
ベピ・コロンボ(2016予・日欧)
- 水星探査機。水星の磁気圏を探査するJAXA製のMMO、表面を探査するESA製のMPO、イオンエンジンを搭載した推進モジュール MTMが一組となって打ち上げられる予定。

実は探査機だけじゃない

最近の静止衛星の寿命の向上にもイオンエンジンは一役買っている。静止衛星は静止軌道に乗せてしまえばあとは勝手に巡り続けるわけではない。地球の重力の偏差や太陽の光圧などが所定の軌道から常に力をかけ続けているのだ。だから静止衛星は頻繁にスラスタを吹かすことで地上に対する相対位置を常に一定に保っている。昔の衛星は大量の推進剤を搭載し、推進剤が切れれば廃棄していたので寿命は3〜5年と短かった。初期の通信衛星などはあえて静止軌道からわずかにずれた軌道を採用して、地上のアンテナ側で補正することで推進剤を節約していた。

ところが21世紀に入ってから静止衛星のスラスタにもイオンエンジンが使用され始めた。これにより静止衛星の寿命が向上しただけではなく、軽量化によりより多くの機器を搭載できるようになった。搭載スラスタを全て電気駆動に置き換えた衛星を「オール電化衛星」と呼び、今後の静止衛星のスタンダードになる可能性が高い。

通常人工衛星は高度200km以下の軌道を回ることはない。200km以下では希薄な大気によりブレーキが掛けられて短期間で地球に落下してしまうからだ。例外は偵察衛星で、目標を高精度で撮影する際に200km以下の軌道に移行、大気ブレーキによる損失はスラスタで補っていた。スラスタのための大量の推進剤により衛星の重量は20トン以上もあり、寿命も極めて短かかった。

ところがイオンエンジンの登場により低空でも安定した軌道を回る衛星が登場した。ESAが2009年に打ち上げた地球重力場探査衛星GOCEがそれ。通常のスラスタでは激しい振動で探査結果に誤差が出るのでイオンエンジン3基で大気の損失を補ったうえに、衛星自体も大気を受け流す砲弾型をしており、低空の軌道を安定した速度で巡れるようになっていた。この仕組は将来的には通信や測地など他の分野の衛星にも応用できる可能性があり、その際は推進剤に高空の希薄な大気そのものを利用することも考えられている。