多目的放射性同位体熱電気転換器

多目的放射性同位体熱電気転換器（MMRTG）

概要

多目的放射性同位体熱電気転換器、略称MMRTG（Multi-mission radioisotope thermoelectric generator）は、主にNASAの宇宙探査計画で使用するために、米国エネルギー省（DOE）の主導の下で開発された電力発生装置です。これは、放射性同位体熱電気転換器（RTG）と呼ばれる種類の電源システムの一種であり、エアロジェット・ロケットダイン社とテレダイン・エネルギーシステム社が共同で開発を手がけました。

宇宙探査における電力の重要性

宇宙探査機が科学観測機器を稼働させ、通信を行い、内部温度を維持するためには、安定した電力と熱源が不可欠です。特に、太陽から遠く離れた外惑星や、太陽光が弱い環境、あるいは夜間の長い惑星表面でのミッションでは、太陽電池だけでは必要なエネルギーを賄うことができません。こうした厳しい条件下でも長期にわたって高い信頼性で稼働し続ける電源として、放射性同位体熱電気転換器（RTG）が長年活用されてきました。RTGは、放射性同位体の自然崩壊によって発生する熱を電気に変換する、実質的な原子力電池と言えるシステムです。これまで、RTGは地球周回軌道ミッション、月探査（アポロ計画）、そして特に太陽系外縁部を探査する数多くのミッションで採用されてきました。著名な例としては、パイオニア10号・11号、ボイジャー1号・2号、ユリシーズ、ガリレオ、カッシーニ、そしてニューホライズンズなどがあります。宇宙開発へのRTGの最初の応用例は、1977年に打ち上げられたボイジャー1号と2号に搭載されたものでした。過去およそ40年の間に、米国は合計45基のRTGを製造し、26に及ぶ宇宙ミッションで利用しています。

機能原理

MMRTGの中核となる機能は、放射性同位体であるプルトニウム238（Pu-238）の核崩壊から生じる熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換することです。この変換は、固体状態の熱電対を用いて行われます。物理的な原理はゼーベック効果に基づいており、これは物質に温度差があると電圧が生じる熱電効果の一種です。MMRTGでは、Pu-238の熱源側が高温になり、その熱が熱電対を伝わる際に温度勾配が生じます。この温度勾配が電子の流れ、すなわち電流を生み出すのです。太陽電池のように太陽光に依存しないため、MMRTGは光がほとんど届かない深宇宙の探査や、太陽光発電が困難な環境（例えば塵が多い大気下の火星表面など）での長期ミッションに最適な電力源となります。

開発経緯

MMRTGの開発契約は、2003年6月に米国エネルギー省によって、エアロジェット・ロケットダインが中心となるチームに与えられました。この開発にあたり、エアロジェット・ロケットダイン社とテレダイン・エネルギーシステム社は、以前に宇宙探査用に開発したRTGであるSNAP-19の設計思想を基に、MMRTGのコンセプトを練り上げました。SNAP-19は、パイオニア10号・11号や、バイキング1号・2号の着陸船に電力を供給した実績のあるシステムです。

設計と性能

MMRTGの設計は、DOEから供給される8つの汎用熱源（GPHS）モジュールを組み込むことを前提としています。これらのGPHSモジュールには、Pu-238の二酸化物が封入されており、初期状態では合計で約2キロワット（kW）の熱を発生させます。熱電対には、テレダイン・エネルギーシステム社製のPbTe/TAGS熱電対が採用されています。TAGSとは、テルル（Te）、銀（Ag）、ゲルマニウム（Ge）、アンチモン（Sb）の合金を示す略称です。

MMRTGは、ミッション開始時に約125ワット（W）の電力を生成するように設計されており、核燃料の自然な崩壊に伴い出力は徐々に低下しますが、14年経過後でも約100Wの電力を供給できる見込みです。MMRTGの質量は約45キログラム（kg）であり、寿命の初期段階における電力密度は約2.8 W/kgとなります。この装置は、宇宙空間の真空環境と、火星表面のような惑星大気中の両方で安定して機能するように設計されています。MMRTGの設計上の主要な目標は、高い安全性を確保すること、定められた14年以上の最小寿命にわたって電力レベルを最適に維持すること、そしてシステム全体の質量を可能な限り抑えることに置かれました。

MMRTGは、これらの特性から、NASAの火星科学探査車（マーズ・サイエンス・ラボラトリー, MSL）に搭載されたキュリオシティや、その後継機であるパーセベランスといった重要なミッションに採用され、その長期的な活動を支える基盤技術となっています。

多目的放射性同位体熱電気転換器