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太陽風の荷電粒子を受け推進する「電気帆」:50機で小惑星群を探査する構想も

2017年11月2日(木)18時30分
高森郁哉

太陽風の荷電粒子を利用する推進システム「エレクトリックセイル(電気帆)」 Credit: NASA

宇宙空間で推進力を得る次世代の技術として、太陽風の荷電粒子を利用する「エレクトリックセイル(電気帆)」への関心が次第に高まっている。すでに実証済みの「太陽帆」とは異なる技術で、いまだ宇宙での実績はないが、米航空宇宙局(NASA)のプロジェクトにも採用されるなど、実現する日が近づきつつあるようだ。

エレクトリックセイルの仕組み

太陽は荷電粒子(主に電子と陽子)を絶えず放出しており、この荷電粒子の連続的な流れが太陽風と呼ばれる。エレクトリックセイルは、回転する多数の長いワイヤーを帯電させ、太陽風に対して正の電位に保つことで、太陽風の陽子と反発して推進力が生み出される。

太陽風の圧力は極めて小さいため、推進に必要な電位を得るにはワイヤーを長く伸ばす必要がある。そこで、毛髪より細い25ミクロン(毛髪は約50〜100ミクロン)のワイヤーを20kmも伸ばすシステムが構想されている。

従来の太陽帆との違い

いっぽうの太陽帆は、太陽が発する光子(光を構成する素粒子)を薄膜に反射させ、光の入射方向と逆向きの力を発生させて推進力を得る。薄膜に生じる力は帆の面積と光圧力に比例するため、十分な推進力を得るためには薄膜の面積を大きくする必要がある。

また、光圧力は光源からの距離の二乗に反比例するため、太陽からの距離が離れるほど、加速が弱まっていく。これに対し、太陽風の届く範囲(太陽圏)の中では荷電粒子の量が一定しているため、エレクトリックセイルは一定の加速を維持できるメリットがある。

計算上は、1000kgの探査機が100本のワイヤーを備えていれば、毎秒1ミリメートル毎秒毎秒の加速度を得られる。これは、最初の1秒間で1ミリ進み(秒速1ミリ)、次の1秒間で2ミリ進む(秒速2ミリ)という加速の度合いで、1年後には秒速30キロメートルに達するという。

NASAのプロジェクトにも採用

エレクトリックセイルの第一人者は、フィンランドの宇宙科学者ペッカ・ヤンフネン氏だ。同氏は、NASAが2015年に発表した研究プロジェクト「太陽圏境界面・静電気高速移動システム(Heliopause Electrostatic Rapid Transit System:HERTS)」に参画。HERTSでは、エレクトリックセイルで推進するシステムで、ヘリオポーズと呼ばれる太陽圏境界面の120〜150AU(天文単位)の距離まで、15年以内に到達することを目指す。ヤンフネン氏の研究成果は、早ければ1〜2年以内に打ち上げられるNASAの外惑星ミッションに反映される可能性があるという。

また、ヤンフネン氏は今年9月にラトビアで開催された欧州惑星会議で、エレクトリックセイルで推進する超小型探査機50機で最大300個もの小惑星を探査する構想を発表した。個々の探査機には4センチの望遠鏡が搭載され、赤外線分光計によって小惑星に含まれる鉱物資源などを調査できるという。ミッション全体の推計費用は約6000万ユーロ(約80億円)で、小惑星1個あたりの探査費用を抑えられるメリットがあるとしている。


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