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キセノンエンジン

2006年3月10日 23:16

宇宙を飛行する迷子の「はやぶさ」が1月末無事であることが
確認されたそうです。(宇宙航空研究開発機構)

「はやぶさ」は現在、地球から約3億3千万キロ離れて飛行しているそうです。

昨年末起こった姿勢の乱れが収まって微弱な電波が届き
通信が回復して現在の位置や機体の状態など把握できる
ようになったようです。
姿勢制御に使う化学エンジンは故障しているため、航行用の
イオンエンジン推進剤のキセノンガスを噴射し通信が安定したものの
電源バッテリーが故障し、化学エンジンの燃料は全部無くなっており
残りは姿勢制御用にも使えるキセノンガス約40キロで地球に帰還する
予定なのだそうです。

化学エンジンとは?
「エンジン推進力の噴射には、窒素と水素の化合物であるヒドラジンと
 四酸化二窒素の組み合わせを採用している。ただし、ヒドラジン+四酸化二窒素は
 それぞれ人体に有害な物質である。その一方でこの組み合わせは、混合すれば
 自然に発火するので、ロケットエンジンに着火機構が不要という利点があります。
 さらに、常温でも蒸発せずに長期間の保存が可能なのだそうです。」

ほかにどのような推進機構があるのでしょう?

前述の「ヒドラジン+四酸化二窒素」から、火星探査の場合
液化メタンと液体酸素という組み合わせが検討されているそうです。

 なぜメタンガスなのかと言うと、火星の大気には二酸化炭素が含まれている。
この二酸化炭素と地球から持ち込んだ水素とで、炭素と水素の化合物であるメタンと
液体酸素を製造し、推進剤に使用するのだそうだ。
 火星にある物質で推進剤を製造することができれば、地球から帰還のために
必要な推進剤を持ち込む必要がなくなる。その分、必要なロケットも有人宇宙船も
小型化できて、探査を低コストで実施できることが期待できるそうです。

ただし、技術的な解決すべき課題も多いそうです。

 メタンガスと液体酸素の組み合わせは、ヒドラジンと四酸化二窒素のように
混合しただけでは着火しないため、電気スパークのような別の仕組みが必要となる。
その分エンジンは複雑になり、故障確率は上がる。
 また、液体酸素は沸点が−183℃、液化メタンは−162℃という極低温であり
蒸発しやすい。太陽光を遮るシールドなどにより液体のまま長期保存を検証する
テストが必要だそうです。

他にも、液体酸素と液体水素という組み合わせがあります。
地球上から打ち上げ時にも使用されていますが、宇宙空間での推進剤としては
まだまだ検討段階なのだそうです。
液体酸素は沸点が−183℃、液体水素は−253℃と、いずれも極低温状態で
保管しなくてはならない。また、液体水素は密度が0.07と水の1/14しかない上に
比熱も小さく非常に蒸発しやすい。しかも発生する水素ガスは分子が小さいので
少しの隙間からでも漏れていってしまう。取り扱いの難しさは、液化メタンの比ではない。
 現在、地上で使用している液体水素用タンクローリーは、真空断熱構造のタンクを
搭載しているが、1日に全容積の1%弱が蒸発する。日本のH-IIAロケットやスペース
シャトルなど、液体水素を使用するロケットは、打ち上げの直前までタンクに水素を供給し
続けて蒸発分を補充しているのです。
課題は、軽量で宇宙空間において液体水素を保管できるタンクの開発なのだそうです。

宇宙の世界でもガスは密接に繋がっているのです。


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「明日の考察。
 これ実に我々が今日においてなすべき唯一である。
 そして総てである。」
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