人工衛星用の新しい燃料は人類を爆破させないほど安全

今月下旬、小型衛星がSpaceX社のファルコン・ヘビーロケットに搭載され、宇宙における「グリーン」衛星燃料の世界初実証に臨みます。この衛星の燃料はAF-M315Eです。これは、空軍が20年以上前に、一般的な衛星燃料であるヒドラジンの代替として初めて開発したものです。成功すれば、AF-M315Eは衛星の効率を大幅に向上させ、衛星の展開時間を数週間から数日に短縮し、衛星燃料の保管と取り扱いに関する安全要件を大幅に緩和する可能性があります。これは人類と環境にとって大きなメリットとなります。将来を見据え、この燃料の開発に携わる科学者たちは、この燃料が地球外衛星の運用開始に大きな役割を果たすだろうと述べています。

ヒドラジンは揮発性の高い燃料で、曝露すれば1日、ひいては命を落とす可能性があります。衛星への燃料供給には、加圧された全身を覆う「SCAPEスーツ」の着用など、多くの安全対策が必要です。一方、AF-M315Eはカフェインよりも毒性が低いため、白衣とポンプがあれば十分です。「衛星への燃料供給作業中は、文字通り、プラスチック容器に入ったヒドラジンの横の部屋に座っていました」と、ボール・エアロスペース社のエンジニアでNASAのグリーン推進剤注入ミッションのプロジェクトリーダーを務めるクリス・マクリーン氏は語ります。

水に似た粘稠度を持つヒドラジンとは異なり、AF-M315Eは粘性が高い。しかし、その燃料密度により、同量のヒドラジンと比較して、衛星に供給される「1ガロンあたりの走行距離」が50%増加する。

マクリーン氏によると、AF-M315Eの安全性に次ぐ最大のセールスポイントの一つは、凍結しないことです。AF-M315Eは液体の塩であるため、極低温ではガラス転移を起こします。この転移により燃料は脆いガラス状の固体に変化しますが、凍結した水やヒドラジンのように膨張することはありません。この特性により、燃料管や貯蔵容器が圧力によって割れるのを防ぎます。さらに、ガラス転移点が非常に低いため、衛星上で燃料を加熱する必要がなく、他のミッションでは大きな電力消費となります。マクリーン氏は、これにより衛星上の他の機器やシステムに供給できる電力が増加し、他の惑星へのミッションにおいて新たな可能性が開かれる可能性があると述べています。

しかし、多くの利点があるにもかかわらず、AF-M315Eの構想から打ち上げまでの道のりは長いものでした。1998年に空軍研究所で代替衛星燃料として初めて開発されたAF-M315Eは、ヒドラジンの約2倍という高い燃焼温度のため、用途が限られていました。そのため、衛星への損傷を防ぐには、特殊で高価な材料が必要でした。2000年代後半には、AF-M315Eの熱に耐えられる推進システムの製造コストは十分に低下し、実用化が可能になりましたが、実験的な推進剤を自社の衛星に搭載するリスクを冒したい企業はどこにもありませんでした。AF-M315Eが衛星業界で広く採用されるためには、軌道上でその性能を実証する必要があるとマクリーン氏は言います。こうしてNASAのグリーン・インフュージョン推進剤ミッションが誕生しました。

当初は2015年後半の打ち上げが予定されていたこのグリーン燃料ミッションは、SpaceXのファルコン・ヘビーロケット開発の遅延に巻き込まれました。6月24日には、深宇宙航行用に試験中の原子時計など、他のペイロードとともに、ファルコン・ヘビーの2回目の運用ミッションで打ち上げられる予定です。

グリーン推進剤衛星バスはボール・エアロスペース社によって開発され、AF-M315E推進剤の試験に使用される1ニュートンスラスタ4基と22ニュートンスラスタ1基を搭載しています。13ヶ月間のミッション中、これらのスラスタを用いて軌道制御（軌道降下、姿勢制御、傾斜制御など）を行い、推進剤の性能を試験します。

マクリーン氏によると、デモ飛行がうまくいけば、このグリーン燃料の使用に関心を持つ顧客が既にいるという。つまり、デモ飛行から18ヶ月後には、衛星が地球周回ミッションを開始できる可能性があるということだ。将来的には、AF-M315Eは火星の極域など、太陽系の寒冷地域の探査に特に役立つ可能性があるとマクリーン氏は述べている。赤い惑星が、少しだけ緑に覆われたようだ。

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