太陽電池による推進力でNASAのサイキ宇宙船を走らせる

太陽電池による推進力でNASAのサイキ宇宙船を走らせる天文・宇宙
2022年8月に打ち上げ予定のNASAの探査機「サイキ」を描いたイラスト。©NASA/JPL-Caltech/ASU

涼しげな青い光を放つ未来的な電気スラスターが、深宇宙にある金属豊富な小惑星へとサイキ(ラテン語でプシケ)宇宙船を導く。

NASAのサイキ宇宙船が深宇宙で自らの力を発揮するとき、それは腕力よりも頭脳に頼ることになるでしょう。

かつてはSFの世界の話でしたが、電気推進の効率的で静かなパワーが、火星と木星の間にある主要な小惑星帯までサイキ宇宙船を推進する力となります。

探査機の目標は、「プシケ」と呼ばれる金属を多く含む小惑星です。

プシケ(16 Psyche)の想像図。©NASA/JPL-Caltech/ASU

探査機は2022年8月に打ち上げられ、3年半かけて約15億マイル(約24億キロ)を移動します。

この小惑星は、初期の岩石質惑星の構成要素である微惑星のコアの一部ではないかと考えられています。

軌道上では、このユニークなターゲットが地球のような岩石質の惑星の形成についてどのようなことを明らかにしてくれるのか、ミッションチームは搭載された科学機器を使って調査します。

2021年7月、JPLでミッションの組立・試験・打ち上げ運用段階で撮影されたNASAのサイキ宇宙船

2021年7月、JPLでミッションの組立・試験・打ち上げ運用段階で撮影されたNASAのサイキ宇宙船。赤色の丸い保護カバーの下に見える2つのホールスラスタが、主な小惑星帯にある目標に向けて探査機を推進する。©NASA/JPL-Caltech

探査機は、ファルコンヘビーロケットの大型化学ロケットエンジンを使って発射台を離れ、地球の重力から逃れます。

しかし、サイキがロケットから分離した後の残りの旅は、太陽電気による推進力に頼ることになります。

この推進方法では、まず大型の太陽電池アレイで太陽光を電気に変換し、宇宙船のスラスタの動力源とします。

これは「ホールスラスタ」と呼ばれるもので、月の軌道を越えて使用するのはサイキ宇宙船が初めてとなります。

推進剤としては、車のヘッドライトやプラズマテレビに使われている中性ガスであるキセノンをタンクに詰めて搭載します。

宇宙船の4つのスラスタは、電磁場を利用して、キセノンの中の電荷を帯びた原子(イオン)を加速して排出します。

イオンが放出されると推力が発生し、イオン化したキセノンの青いビームを放出しながら、サイキを穏やかに宇宙へと走らせます。

NASAのジェット推進研究所では、4つのホールスラスタ(赤い保護カバーの下)をNASAのサイキ宇宙船に組み込む準備をしている。

2021年7月、NASAのジェット推進研究所のエンジニアが、同機関のサイキ宇宙船にホールスラスタを組み込む作業を行っている。宇宙船の側面にある赤い保護カバーの下にスラスタの1つが見える。©NASA/JPL-Caltech

その推進力はとても穏やかで、25セント硬貨3枚(17.01g)を手に持ったときの圧力と同じくらいです。

しかし、それはサイキを深宇宙へと加速させるには十分です。

大気の抵抗を受けないため、最終的には時速20万マイル(時速32万キロ)まで加速することができます。

ホールスラスタは非常に効率的なので、何年も燃料が切れることなくほぼノンストップで作動することができます。

サイキはタンクに2,030ポンド(922kg)のキセノンを搭載していますが、従来の化学スラスタを使用した場合は、その約5倍の推進剤を消費するとエンジニアは推定しています。

「2012年にミッションを設計した当初から、計画の一部として太陽電池推進の話をしていました。2012年にミッションの設計を始めた当初から、太陽電池推進については計画の一部として話していました。それがなければ、サイキのミッションは実現しませんでした。」と、アリゾナ州立大学で主任研究員を務めるLindy Elkins-Tanton氏は言います。

「そして、それはミッションの特徴の一部になっています。太陽電気の推進力を使って軌道を計算するには、専門のチームが必要です。」

NASAのジェット推進研究所では、4つのホールスラスタ(赤い保護カバーの下)をNASAのサイキ宇宙船に組み込む準備をしている。

NASAのジェット推進研究所では、4つのホールスラスタ(赤い保護カバーの下)をNASAのサイキ宇宙船に組み込む準備をしている。このスラスターによって、サイキは主な小惑星帯にある目標に向かって進むことになる。©NASA/JPL-Caltech

穏やかなマニューバ

※マニューバ1航空機の機動、動き方のこと。

サイキは、NASAケネディ宇宙センターの歴史的なパッド39Aから打ち上げられます。

その7ヵ月後の2023年5月には、ファルコンヘビーで火星に接近して重力アシストを行う軌道に乗せます。

2026年初頭には、スラスターが探査機を小惑星プシュケの軌道に乗せるための繊細な作業を行います。

望遠鏡で見ると小さな光の点にしか見えないこの小惑星について、科学者たちはほとんど何も知らないため、この作業は特に厄介なものになるでしょう。

地上のレーダーによると、幅は約140マイル(226キロ)で、形はジャガイモのような形をしています。

このミッションでは、21ヵ月間にわたって科学調査を行うと同時に、航行エンジニアが電気推進スラスタを使って探査機を飛行させ、プシュケに徐々に近づける軌道を繰り返します。

このミッションを管理する南カリフォルニアのNASAジェット推進研究所は、1998年に打ち上げられたNASAの「Deep Space 1」で同様の推進システムを使用し、2001年にミッションが終了するまで小惑星と彗星のそばを飛行しました。

次に打ち上げられた「ドーン」は、太陽電気の推進力を利用して、小惑星ベスタと原始惑星ケレスの周りを飛行しました。

地球外の2つのターゲットを周回した史上初の探査機であるドーンのミッションは11年に及び、2018年に姿勢維持のために使用した最後のヒドラジン推進剤を使い切って終了しました。

ホールスラスタ

左は、NASAのPsyche探査機が小惑星帯に向かう際に使用するものと同じ電気式ホールスラスタで、キセノン・プラズマが青く発光している。右は同様のスラスタ(非動作時)。

推進力のパートナー

NASA Psyche Mission: Charting a Metallic World

Maxar Technologies社2米国コロラド州ウェストミンスターに本社を置く宇宙技術企業であり、通信、地球観測、レーダー、軌道上サービス衛星、衛星製品、および関連サービスの製造を専門としています。は、何十年もの間、太陽電気推進装置を使って商業通信衛星を動かしてきました。

しかし、サイキでは、超高効率のホールスラスタを深宇宙での飛行に適応させる必要があり、そこにJPL(ジェット推進研究所)のエンジニアが参加しました。

両チームとも、サイキが月軌道を超えて初めてホールスラスタを使用することで、太陽電気推進の限界を押し広げることができると期待しています。

Maxar社のサイキプログラムマネージャーであるSteven Scott氏は、「太陽電気推進技術は、コスト削減、効率性、パワーの適切な組み合わせを提供し、火星やそれ以上の場所への将来の科学ミッションをサポートする上で重要な役割を果たす可能性があります」と述べています。

カリフォルニア州パロアルトにあるMaxar社のチームは、スラスタの供給に加えて、電気システム、推進システム、熱システム、誘導・ナビゲーションシステムを搭載したバンサイズのシャーシの製造も担当しました。

完全に組み立てられたサイキは、JPLの巨大な熱真空室に移動し、深宇宙の環境をシミュレートするテストを行います。

来年の春までには、JPLからケープカナベラルに輸送され、打ち上げられる予定です。

Published by NASA
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