イオンエンジン

イオンエンジンとは

イオンエンジン（Ion Engine）は、エネルギーを利用してイオンを生成し、それを加速させることで推力を生み出すロケットエンジンの一種です。電気推進方式に分類され、生成されたプラズマ状のイオンを静電場を使って高速度で噴射します。これは、イオン推進、イオンロケット、イオンスラスタなどとも呼ばれています。

特徴と用途

イオンエンジンは、他の推進システムに比べて最大推力は小さいですが、少ない燃料で長時間の運転が可能なため、特に人工衛星の軌道制御や宇宙探査機の技術に重要な役割を果たしています。これまでは実験的な使用が主でしたが、最近ではヒドラジン系の推進システムに代わり、標準装備として用いられることが増えています。特に、その高い比推力は静止衛星の長寿命化に寄与しています。

推進原理

イオンエンジンは、まず推進剤を正イオン化し、電界内でそのイオンを放出します。この正イオンは、負電極に向かって加速され、機体はイオンの運動量により逆向きに加速します。負電極はグリッド状になっており、加速されたイオンのほとんどは通過していき、その後、機体外部で放出された正イオンの数に見合った電子を中和器から放出して電気的中性を保ちます。

使用される推進剤の中で一般的なのはキセノンですが、リチウムやビスマスが用いられることもあります。また、低軌道の衛星では、稀薄な大気を吸気し、これを推進剤とするアイデアも提案されています。

静電加速型推進機

イオンエンジンの一種である静電加速型推進機は、クーロン力を利用してイオンを加速します。高い推進効率が期待される一方で、推力密度が低いという課題があります。汎用の電極静電イオン推進機は、アルゴン、キセノン、クリプトンなどの貴ガスを使用し、加熱されたフィラメントを用いた電子でガスをイオン化しますが、電子損失が場合によっては大きくなります。

最新技術と応用事例

イオンエンジンは、過去にも数多くの研究開発が行われており、NASAのNSTARやEvolutionary Xenon Thruster（NEXT）などが代表例です。また、ホール効果推進機（ホールスラスタ）や電界放射式電気推進（FEEP）などの類似した技術も進化を遂げています。

これらが宇宙探査において果たした役割は計り知れません。特に、はやぶさやはやぶさ2、小[[惑星]]探査機Dawnなどのミッションで活躍し、科学者たちの新しい発見に貢献してきました。

まとめ

イオンエンジンは化学ロケットに比べ、優れた比推力を誇りますが、加速に必要な時間は長く、推力密度が低いという特性があります。そのため、地球からの打ち上げには向かず、長時間にわたって航行する必要があるミッションに最適です。今後もその技術は進化し、より多くの宇宙探査ミッションへの応用が期待されます。

もう一度検索