テザー推進

テザー推進：宇宙空間における革新的な軌道制御技術

テザー推進とは、宇宙機に長い紐状の構造物（テザー）を用いて、軌道変更を行う技術です。ロケット推進のような推進剤を消費しない点が大きな利点ですが、電流を用いる手法では発電のための燃料消費が伴う場合もあります。

テザー推進の種類

テザー推進には、いくつかの種類があります。主なものを以下に示します。

1. 電気力学的テザー

電気力学的テザーは、導電性のテザーと惑星の磁場の相互作用によって推力を得る手法です。宇宙機の加速・減速の両方に利用でき、磁気圏を通過する際には発電も可能で、エネルギー効率を高めることができます。テザーに電流を流すと磁場との反発力が生じ、それが宇宙機への推力となります。

2. 潮汐力安定化（重力勾配安定化）

潮汐力安定化は、安価で信頼性の高い姿勢制御手法です。電子機器、ロケット、燃料を必要とせず、テザーの両端に質量差をつけることで、潮汐力による張力が生じ、人工衛星の姿勢を安定させます。地球上では効果は小さいですが、宇宙空間では姿勢制御に有効です。

3. ロトベーター

ロトベーターは、高速回転するテザーによって宇宙機を加速する手法です。宇宙機はテザーに接続され、回転によって加速された後、切り離されて軌道に投入されます。太陽電池などによるエネルギー供給で継続的な運用が可能で、ロケットに比べて安価な宇宙輸送手段となることが期待されています。ロトベーターは、宇宙機の加速と同時に、別の宇宙機の減速を行うことで、エネルギーのやり取りを行い、持続的な運用を目指せる可能性があります。月面からの地球への輸送手段としても期待されています。また、楕円軌道での運用や、大気圏上層での航空機との接続など、様々な改良案が検討されています。NASAのHASTOL計画もその一例です。

4. スカイフック

スカイフックは、潮汐力安定化を用いたテザー推進の一種です。ロトベーターの一種であり、テザーの先端がマッハ12～16程度で移動します。テザーが長ければ、先端の速度を遅くできます。極端なケースでは、テザーの先端が地表に接地し、軌道エレベーターのように機能します。

5. 軌道エレベータ

軌道エレベータは、惑星の自転を動力源とするロトベーターの一種です。地球の場合は赤道から静止軌道までを繋ぎます。動力源を必要とせず、惑星の角運動量をエネルギー源として機能しますが、必要な材料強度が課題であり、地球での実現は現在の技術では困難です。月や火星であれば実現可能と考えられています。

実現に向けた課題

テザー推進の実現には、いくつかの課題があります。

1. 流星物質とスペースデブリ

微小な流星物質やスペースデブリは、テザーを切断する危険性があります。そのため、高い耐久性を持つ材料や、損傷に強い構造設計が求められます。Hoytetherのような工夫も提案されています。

2. 材料強度

軌道エレベータやロトベーターには、非常に高い強度を持つ材料が必要です。現在の材料では地球での実現は困難ですが、月や火星であれば実現可能と考えられています。

3. 振動

テザーの振動は、制御が難しく、複雑な制御機構が必要です。

4. 貨物の捕獲

宇宙機をテザーに安全に接続する技術も必要です。

5. 化学的劣化

テザー材料は、紫外線や原子状酸素による劣化を防ぐためのコーティングが必要です。

6. 熱

宇宙空間における温度変化への対策も必要です。

デブリ対策への応用

テザー推進技術は、宇宙デブリ対策にも応用できる可能性があります。導電性テザーを用いてデブリの軌道を変えることで、大気圏に突入させて除去するアイデアが提唱されています。

フィクションにおけるテザー推進

テザー推進は、多くのSF作品にも登場し、その可能性を示唆しています。

まとめ

テザー推進は、宇宙輸送のコスト削減や、宇宙デブリ問題への対策など、様々な可能性を秘めた技術です。材料科学や制御技術の進歩によって、その実現に向けた取り組みが加速しています。

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