電気推進のスケーリング課題｜大電力ホールスラスタ

はじめに

電気推進の歴史は「スケーリング」との闘いだ。1960年代のmW級SERT実験から、2020年代には100kW級のスラスタが地上試験で動作するまでに至った。NASAのGateway PPE（Power and Propulsion Element）は12.5kW級ホールスラスタAEPSを搭載し、月周回軌道への大型宇宙機の電気推進航行を初めて実証する。さらに先を見据えれば、火星貨物輸送には数百kW〜MW級の電気推進が必要とされる。本記事では、大電力化に伴う物理的・工学的課題と最新の解決策を解説する。

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電気推進のスケーリング法則

推力と電力の関係

電気推進の推力 F は以下の式で表される:

F = 2ηP / ve

ここで η は推力効率、P は投入電力、ve は排出速度（∝ 比推力）だ。この式から、推力を増やすには電力を増やすか比推力を下げる必要がある。大型宇宙機の軌道遷移にはkN級の推力が要求され、比推力2,000秒で効率60%とすると、必要電力は数百kW〜MW級に達する。

スケーリングの物理的課題

課題	内容	影響
熱管理	スラスタ壁面の熱流束が電力に比例	冷却設計の困難化
プラズマ不安定性	大型チャネルで呼吸振動・回転不安定性	推力効率の低下
磁場設計	大型チャネルの均一磁場生成	大型磁石/電磁コイルの質量増
電力供給	大型ソーラーアレイまたは原子炉	システム質量の支配的要素
試験設備	大型真空チャンバーの排気能力	地上試験の制約

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NASA HERMeS / AEPS

12.5kW級磁気シールドホールスラスタ

HERMeS（Hall Effect Rocket with Magnetic Shielding）はNASA Glenn Research Centerが開発した12.5kW級ホールスラスタだ。これをAerojet Rocketdyneが量産型として製造するのがAEPS（Advanced Electric Propulsion System）である。

主要スペック: – 電力: 12.5 kW – 推力: 589 mN – 比推力: 2,820秒 – 推力効率: 約63% – 推進剤: キセノン – 設計寿命: 23,000時間

HERMeSの最大の技術革新はホールスラスタの項で解説した磁気シールディングだ。従来の12.5kW級スラスタではチャネル壁侵食が数千時間で深刻になるが、磁気シールディングにより壁侵食を事実上ゼロにし、23,000時間以上の寿命を実現する。

Gateway PPEへの搭載

AEPSは月周回有人拠点GatewayのPPEモジュールに搭載される。PPEはMaxar Technologies（現MDA Space）が製造し、60kW級のソーラーアレイを展開して4基のAEPSスラスタに電力を供給する。

Gateway PPEの電気推進運用は以下のフェーズで構成される: 1. 地球低軌道（LEO）→月遷移: スパイラル軌道上昇（数ヶ月） 2. 月周回NRHO（Near Rectilinear Halo Orbit）投入: 低推力マヌーバ 3. NRHO維持: 長期軌道保持

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X3ネステッドホールスラスタ

100kW級の壁を突破

ミシガン大学PERLab（Plasmadynamics and Electric Propulsion Lab）が開発したX3は、ネステッドチャネル（同心円多重チャネル）方式の画期的なホールスラスタだ。

パラメータ	X3（100kW級）	HERMeS（12.5kW）
最大電力	100 kW	12.5 kW
最大推力	5.4 N	589 mN
比推力	1,800〜2,650秒	2,820秒
チャネル数	3（内/中/外）	1

X3の3つのチャネルは独立に運転可能で、低電力時は内側チャネルのみ、高電力時は3チャネル同時運転と、ミッションフェーズに応じて推力プロファイルを柔軟に変えられる。

2017年のNASA Glenn Research Centerでの試験では、ホールスラスタとして史上最高の100kW運転を達成し、推力5.4Nを記録した。

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電力供給の課題

ソーラー電気推進（SEP）

大電力電気推進の最大のボトルネックは電力供給だ。現在の宇宙用ソーラーアレイは1kWあたり約5〜10kgの質量があり、100kW級では500kg〜1tのソーラーアレイ質量が必要になる。

NASAのMegaFlex/ROSA技術により軽量展開型アレイの性能は向上しているが、火星軌道（太陽距離1.52AU）では太陽光強度が地球近傍の約43%に低下するため、さらに大面積のアレイが必要だ。

核電気推進（NEP）

火星以遠でのMW級電気推進には、核電気推進（NEP）が有力な選択肢だ。原子炉で発電し、イオンエンジンやホールスラスタを駆動する。NASAのKilopowerプロジェクトは10kW級の宇宙用原子炉を実証しており、将来的には100kW〜MW級への拡大が構想されている。

電力源	出力	質量効率	太陽距離依存	技術成熟度
ソーラー（ROSA等）	〜300 kW	5〜10 kg/kW	強い	TRL 7〜9
核分裂（Kilopower系）	10 kW〜MW	20〜50 kg/kW	なし	TRL 4〜6
RTG	〜500 W	200+ kg/kW	なし	TRL 9

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技術的なポイント

基礎知識

• SEP（Solar Electric Propulsion）: ソーラーアレイで発電し電気推進を駆動する方式。内惑星ミッションに最適
• NEP（Nuclear Electric Propulsion）: 原子炉で発電し電気推進を駆動。太陽から遠い外惑星や大質量輸送に適する
• 磁気シールディング: ホールスラスタの磁場形状を最適化し、チャネル壁へのイオン衝撃を抑制する技術
• ネステッドチャネル: 同心円状に複数のホールスラスタチャネルを配置し、スロットリング範囲を拡大する設計

応用例

• Gateway PPE: AEPS×4基（50kW級）で月NRHOへの電気推進航行を実証
• X3（ミシガン大学/NASA）: 100kW級ネステッドホールスラスタ。史上最高推力5.4Nを達成
• Psyche（NASA）: NEXT-Cイオンエンジンで小惑星への電気推進航行を実証中

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まとめ

電気推進のスケーリングは、熱管理、プラズマ安定性、電力供給の三大課題との闘いだ。磁気シールディングによる長寿命化（HERMeS/AEPS）とネステッドチャネルによる大電力化（X3）は、この課題に対する有力な解答である。Gateway PPEでの軌道実証が成功すれば、火星貨物輸送から外惑星探査まで、核熱推進との相補的な役割で深宇宙開拓の新たなステージが開かれるだろう。

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参考文献

• Kamhawi, H. et al., “Overview of Hall Thruster Development at NASA Glenn Research Center”, AIAA Propulsion and Energy Forum, 2018. AIAA
• Hall, S.J. et al., “High-Power Performance of a 100-kW Class Nested Hall Thruster”, AIAA 2017. AIAA
• NASA, “Power and Propulsion Element (PPE)”, NASA Gateway. NASA Gateway
• Hofer, R.R. et al., “The 12.5 kW HERMeS Hall Thruster for the Power and Propulsion Element”, AIAA 2021. AIAA
• NASA, “Kilopower Reactor Using Stirling Technology (KRUSTY)”, NASA Space Technology. NASA Kilopower