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May 18, 2023

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Nature volume 599、pages 411–415 (2021)この記事を引用する 43k アクセス数 36 引用数 393 Altmetric Metrics の詳細 推進力は、多くの宇宙船 1、2、3、4 の重要なサブシステムです。 効率的な推進剤のために

Nature volume 599、pages 411–415 (2021)この記事を引用

43k アクセス

36 件の引用

393 オルトメトリック

メトリクスの詳細

推進力は多くの宇宙船の重要なサブシステムです1、2、3、4。 推進剤を効率的に使用するには、ガスの電子衝撃イオン化中に形成されるイオンの静電加速に基づく電気推進システムが特に魅力的です5,6。 現在、キセノンは宇宙推進用のイオン化推進剤としてほぼ独占的に使用されています2、3、4、5。 しかし、キセノンは希少であり、高圧下で保管する必要があり、商業生産は高価です7、8、9。 ここでは、ヨウ素推進剤を使用する推進システムを実証し、この新しい技術の軌道上での結果を紹介します。 二原子ヨウ素は固体として保存され、低温で昇華します。 次に、高周波誘導アンテナでプラズマを生成し、キセノンに比べてイオン化効率が向上することを示しました。 ヨウ素原子イオンと分子ヨウ素イオンの両方が高電圧グリッドによって加速されて推力が生成され、実質的なヨウ素解離を伴う高度に平行化されたビームが生成されます。 この推進システムは、小型衛星に搭載された宇宙空間での運用に成功し、衛星追跡データを使用して操作が確認されました。 これらの結果により、宇宙産業における代替推進剤の採用が加速し、広範な宇宙ミッションにおけるヨウ素の可能性が実証されることが期待されます。 例えば、ヨウ素はシステムの大幅な小型化と簡素化を可能にし、小型衛星や衛星群に配備、衝突回避、使用済み廃棄、宇宙探査のための新しい機能を提供します10、11、12、13、14。

宇宙船は、軌道移動、衝突の回避、空気力学的または重力の摂動を補償するための軌道維持、寿命後の廃棄など、宇宙での操作を実行するために推進力を必要とします1。 推進技術の選択、特にその排気速度によって、必要な推進剤の質量が決まります。 電気推進5,15は、電力を使用して（電場および/または磁場を介して）推進剤を加速し、化学推進（推進剤の加速に化学反応からのエネルギーを使用する）よりも一桁高い排気速度を達成できます。 最も成功した電気推進システムには、ガスの電子衝撃イオン化によってプラズマを生成し 6、イオンを静電的に加速して推力を生成するグリッド イオン スラスターやホール スラスター 5 が含まれます。 このような推進システムは、地球を周回する多くの商用衛星で使用されているだけでなく、宇宙探査にも使用されています。 例としては、欧州宇宙機関の月への SMART-1 ミッション 2、火星と木星の間の小惑星帯にある原始惑星セレスとベスタを研究した NASA のドーン ミッション 16、日本の宇宙航空研究開発機構のはやぶさ 1 およびはやぶさ 2 の地球近傍へのサンプルリターン ミッションが挙げられます。地球の小惑星 25143 イトカワ 17 と 162173 リュウグウ 18。

宇宙船の出力は限られているため、電気推進システムは推力対出力比を最大化する必要があり、静電加速器の場合、イオン化閾値が低く、原子質量が大きい推進剤が必要です5。 現在、選択されている推進剤はキセノンです。 しかし、キセノンは非常に稀少であり（大気中には 1,000 万分の 1 以下）、商業生産は高価であり、限られています 7、8、9。 また、照明や画像処理、病院の麻酔薬 9,19、半導体業界のエッチング 20 など、キセノンを使用する競合アプリケーションもあります。 巨大衛星群 21、22、23 の台頭により、キセノンの需要は今後 10 年以内に供給を上回る可能性があります。 さらに不利な点は、キセノンを非常に高い圧力 (通常 10 ～ 20 MPa) で保管する必要があり、これには特殊な積載装置と訓練を受けた人員が必要であり、「新しい宇宙」パラダイムと両立できないことです。 宇宙産業の長期的な持続可能性のためには、代替の推進剤を見つけることが重要です。