米国のマサチューセッツ工科大学（MIT）の研究チームは、超小型衛星の深宇宙探査能力を大幅に向上させると期待される新しい航空宇宙推進システムを試験している。このシステムは、2 つの異なる形式の推進力を同じプラットフォーム上に統合し、衛星が迅速な操縦と効率的な長距離飛行の両方を実行できるようにします。
設計の中心となるのは、化学推進と電気推進の両方を可能にする単一の推進剤です。従来、この 2 種類のシステムは独立した燃料ユニットと推進ユニットを必要とすることが多く、構造が複雑なだけでなく、貴重な客室容積を占有してしまいます。研究リーダーの一人で、以前はMIT航空宇宙学（AeroAstro）に勤務していたアメリア・ブルーノ氏は、化学推進と電気推進を小型プラットフォームで同時に実現できれば、「両方の技術の利点を併せ持つことと同等」となり、小型衛星がより小型で安価なプラットフォームでより科学的な観測や複雑なタスクを実行できるようになると述べた。
関連する結果は、米国航空宇宙研究所 (AIAA) の後援による「Journal of Propulsion and Power」に掲載されています。この論文は、もともと米国空軍が化学推進用に開発した比較的環境に優しい単元推進薬が、小型電気推進装置、いわゆる「エレクトロスプレー」スラスタの駆動に使用できることを示しています。
静電ジェット スラスターは非常に小さな電気スラスターで、大きさはコインまたは爪ほどです。これは、電場を使用して液体推進剤内の粒子を帯電させ、これらの帯電粒子を装置の外に放出して推力を生成することによって機能します。このタイプのスラスタは燃料利用効率が非常に高く、ゆっくりとした細かい姿勢制御や軌道微調整を行うのに適しています。これは、長期間にわたって宇宙船の累積的な速度増加を提供することができ、深宇宙や長時間にわたるミッションに非常に適しています。
対照的に、化学スラスターは短時間で高い推力を提供し、急速な加速や急激な軌道変更などの要求の高い操縦シナリオに適しています。 MITチームは、化学推進と電気推進の両方に適した共通の推進剤が見つかれば、小型衛星のミッション設計において前例のない柔軟性が得られると考えている。彼らは現在、米国航空宇宙局（NASA）と協力して、「グリーン推進デュアルモード（GPDM）」と呼ばれるミッションでの軌道上検証の準備を進めている。
GPDM ミッションでは、化学ノズル スラスターと 4 つの静電ジェット スラスターを備え、同じ推進剤タンクを共有するブリーフケースほどの大きさの CubeSat が使用されます。これは、小型衛星プラットフォーム上でこのようなデュアルモード推進システムの初めての軌道上試験となります。ブルーノ氏は、このミッションが成功すれば、立方体衛星を火星やさらには小惑星帯に送り込み、電気推進で「ゆっくりと漂流」して長距離飛行を完了し、その後化学推進を使って迅速に操縦して目標近くに位置するなど、深宇宙探査にコンパクトなプラットフォームを使用するという将来の構想の基礎を築くことになると指摘した。
論文の共著者の一人で、MIT航空宇宙学部のミゲル・アレマン・ベラスコ教授であるパウロ・ロザーノ氏は、この新しいモードでは、CubeSatは「深宇宙偵察機」のような複雑な検出を実行できると述べた。まず静電スプレーを使用して目標付近に長時間押し込み、次に化学推進を使用して迅速に操縦し、地形の多角度近接観察を行う。または興味のある現象。このようにして、小型検出器のミッション計画の柔軟性が大幅に向上します。
ロザーノ氏は、弁当箱サイズから小さな機内持込手荷物に至るまで、衛星用の静電ジェット推進システムの開発に長年注力してきた研究室を率いています。従来の大型衛星と比較して、このタイプの小型宇宙船の打ち上げコストは大幅に低くなりますが、体積と質量の要件が非常に厳しいため、推進システムは非常にコンパクトでなければなりません。静電スプレー技術はこの要求に応えます。MIT チームが開発したスラスター本体は爪ほどの大きさで、小さな液体貯蔵タンクに設置され、イオン液体推進剤で満たされています。
通電後、スラスターは貯蔵溶液中のイオンに電圧を印加し、イオンを帯電させ、マイクロジェット放出構造を通して放出させ、連続的で安定したイオンビームを形成します。過去 10 年間にわたり、チームは「イオン液体」などの材料に焦点を当てて、さまざまなスラスター構造と推進剤の配合をテストしてきました。このタイプの塩ベースの液体は、極限環境でも液体のままであり、宇宙の真空および極低温条件でも安定しているため、電気推進システムの作動媒体として非常に適しています。
ブルーノ氏は、イオン液体は本質的に「イオンで満たされた液体の海」であり、イオン液体からイオンを抽出してジェットを形成する静電スプレー技術に適していると述べた。同時期の他の一般的な推進剤とは異なり、イオン液体は揮発性ではないため、取り扱いがより安全になり、地上試験や軌道上での運用のリスクが軽減されます。
この研究では、ブルーノとロザーノのチームは米空軍と協力して、「ASCENT」（Advanced SpaceCraft Energetic Non-Toxic）と呼ばれる新しいイオン液体推進剤を導入しました。 ASCENT は元々、毒性が高いが広く使用されているヒドラジン燃料に代わる宇宙用化学推進システム用に開発され、エネルギー密度を確保しながら安全性と環境保護を向上させました。
ASCENT 自体はイオン液体の混合物であるため、MIT チームは、ASCENT を静電スプレー システムで使用する必要があると推測し、体系的な実験検証を開始しました。実験では、研究者らは小さな立方体の液体貯蔵タンクにASCENTを注入した。各タンクの体積はレゴブロックとほぼ同じです。充填されている噴射剤の質量は約1グラムで、粘度はベビーオイルに近いです。
ASCENTを搭載した静電ジェットスラスターがCubeSatの両側に設置され、装置全体が特注の「磁気浮上（MagLev）」試験プラットフォームに設置された。プラットフォームは真空チャンバー内に配置され、磁気を使用して衛星を部分的に浮遊させ、それによって宇宙の摩擦のない環境をシミュレートします。研究チームは、ジェットによって生成されたトルクが人工衛星をジャイロスコープのようにゆっくりと回転させるように、さまざまな電圧条件でスラスターを駆動し、推力レベルと推進効率を逆転させるための回転応答を測定しました。
ASCENTは静電ジェットスラスタを安定して駆動できることが試験結果から判明しており、その性能は現在一般的に使用されている電気推進型イオン液体推進剤と同等であることがわかっています。約100時間の連続運転実験において、システムは良好な安定性と持続性を示しました。ブルーノ氏は、研究室で一般的に使用されている従来の静電ジェット推進剤と比較して、ASCENT は同様の推力性能を提供すると述べました。 「互換性を確認した後、これに基づいてシステムのパフォーマンスを引き続き最適化する方法をさらに検討できます。」
ASCENT は化学推進と静電噴射などの電気推進システムのエネルギーの両方に使用できるため、将来の宇宙船は単一の推進剤タンクを通じて両方のタイプの推進システムに同時に供給できるようになります。この設計により、2 種類の推進技術のそれぞれの利点を維持しながら、パイプラインと貯蔵タンクの数が減り、全体の構成が大幅に簡素化されます。 MITとNASAは、今年11月に打ち上げられた「グリーン推進デュアルモード」CubeSatミッションにおいて、初の実空間測定を実施する予定だ。また、人工衛星が真に「推進剤タンクを共有」したのはこれが初めてとなる。
ロザーノ氏は、この技術は星間探査に適しているだけでなく、気象監視や気象観測衛星などの地球近傍ミッションにも重要な影響を与えるだろうと指摘した。たとえば、特定の場所で激しい嵐が発生しようとしている場合、オペレーターは観測ニーズに基づいて目標地域上で小型衛星のグループを迅速に操縦したり、長期間にわたってゆっくりと軌道を調整したりできると同氏は述べた。この「速度と速度を制御可能な」展開方法は、高推力の化学推進と高効率の電気推進の両方が利用可能な場合にのみ実現可能であり、デュアルモードシステムはその技術的基盤を提供します。
この研究は、「エネルギー性イオン液体一元推進剤を使用したエレクトロスプレー スラスターの性能特性評価」（エネルギー性イオン液体一元推進剤を使用したエレクトロスプレー スラスターの性能特性）と題され、2026 年 5 月 31 日に「Journal of Propulsion and Power」に掲載されました。この研究は NASA からも部分的に資金提供を受けました。