はじめに
宇宙推進で半世紀以上使われてきたヒドラジン（N2H4）は、高い毒性と発がん性を持つ推進剤だ。地上での取扱いにはSCAPE（Self-Contained Atmospheric Protective Ensemble）と呼ばれる完全密閉防護服が必要で、1回の推進剤充填に数日と数百万ドルのコストがかかることもある。この問題を解決するため、世界中でグリーン推進剤の研究・実証が加速している。NASAのGPIM（Green Propellant Infusion Mission）は2019年にAF-M315Eの軌道実証に成功し、欧州ではLMP-103Sが複数のミッションで実用化されている。
ヒドラジンの問題点
毒性と取扱いコスト
ヒドラジンは無色の液体で、蒸気吸入や皮膚接触により急性毒性を示す。長期曝露では発がん性が確認されており、IARC（国際がん研究機関）でグループ2B（ヒトに対する発がん性の可能性あり）に分類されている。
| 項目 | ヒドラジン | AF-M315E | LMP-103S |
|---|---|---|---|
| 毒性レベル | 高（発がん性） | 低 | 低 |
| 蒸気圧（25℃） | 14.4 mmHg | 極低 | 低 |
| NFPA 704（健康） | 4（致命的） | 1（軽微） | 1（軽微） |
| 充填時の防護 | SCAPE必須 | 簡易保護具 | 簡易保護具 |
| 凝固点 | 2℃ | −60℃以下 | −7℃ |
| 比推力（触媒分解） | 230秒 | 248秒 | 235秒 |
環境規制の強化
EUのREACH規制では、ヒドラジンは高懸念物質（SVHC）に指定されており、使用制限が段階的に強化されている。この規制環境がグリーン推進剤への移行を加速する大きなドライバーとなっている。
主要なグリーン推進剤
AF-M315E（ASCENT）
AF-M315EはNASA/米空軍研究所が開発したHAN（Hydroxylamine Nitrate）ベースのイオン液体推進剤だ。正式名称はASCENT（Advanced Spacecraft Energetic Non-Toxic propellant）。
主な特徴: – HAN + HEHN（Hydroxyethylhydrazinium Nitrate）の混合物 – 比推力248秒（ヒドラジンの230秒より約8%向上） – 密度が高い（密度比推力でヒドラジン比50%以上向上） – 凝固点が−60℃以下（ヒドラジンの2℃に比べ寒冷環境に強い） – 触媒点火温度が約350℃（ヒドラジンの150℃より高い → 触媒の要求が厳しい）
“The GPIM mission successfully demonstrated the AF-M315E green propellant in orbit, validating its performance for future spacecraft applications.”
LMP-103S
LMP-103SはスウェーデンECAPSが開発したADN（Ammonium Dinitramide）ベースの推進剤だ。
主な特徴: – ADN + メタノール + アンモニア + 水の混合物 – 比推力235秒（ヒドラジンと同等） – 密度比推力はヒドラジン比約6%向上 – 凝固点−7℃ – 2010年のPRISMAミッションで世界初のグリーン推進剤軌道実証
LMP-103Sは欧州の複数の衛星ミッションで実用化されており、小型衛星推進の選択肢としても注目されている。
FLP-106
ドイツDLRが開発するFLP-106もADNベースの推進剤だ。LMP-103Sよりさらに高い性能を目指し、比推力250秒級を目標としている。
NASA GPIM実証結果
ミッション概要
GPIM（Green Propellant Infusion Mission）は2019年6月に打上げられ、AF-M315Eの軌道上での性能を実証した。Ball Aerospace製の小型衛星（約180kg）に1N級と22N級のスラスタを搭載し、軌道変更・姿勢制御のマヌーバを実施した。
主要な成果
- 比推力: 地上試験値（248秒）と一致する性能を軌道上で確認
- 応答性: ヒドラジンよりパルスモード応答が遅い（触媒加熱に時間を要する）
- 触媒寿命: 目標を満たしたが、高温による触媒劣化が長期運用の課題
- 密度比推力向上: タンク容積削減に有効であることを確認
触媒技術の課題
高温触媒の開発
グリーン推進剤の最大の技術課題は触媒だ。ヒドラジンはShell 405触媒（イリジウム/アルミナ）で約150℃から自発的に分解するが、AF-M315Eは350℃以上の触媒温度が必要だ。これは触媒の予加熱に電力と時間を要することを意味し、即応性が求められるリアクションコントロールには不利だ。
現在の研究方向: – Lr-91: AF-M315E専用触媒。NASAとAerojet Rocketdyneが開発 – 低温起動触媒: 200℃以下でのAF-M315E分解を目指す研究が進行中 – イグナイタ併用: 触媒に頼らず点火プラグで着火するハイブリッド方式
技術的なポイント
基礎知識
- HAN（Hydroxylamine Nitrate）: NH3OH+NO3-。水溶性の酸化剤。AF-M315Eの主成分
- ADN（Ammonium Dinitramide）: NH4+N(NO2)2-。スウェーデン発の酸化剤。LMP-103Sの主成分
- 密度比推力: 比推力×推進剤密度。タンク容積が制約となる小型衛星で重要な指標
- SCAPE: ヒドラジン充填時に必要な完全密閉防護服。1着約$10,000
応用例
- NASA GPIM（2019）: AF-M315Eの軌道実証。比推力248秒を確認
- PRISMA（2010）: LMP-103Sの世界初軌道実証（スウェーデンSSC/ECAPS）
- Lunar Flashlight（2022）: NASAの月探査CubeSat。AF-M315Eスラスタ搭載（推進系トラブルあり）
まとめ
グリーン推進剤は毒性低減・取扱い簡素化・密度比推力向上という三つの利点でヒドラジンを代替する技術だ。AF-M315E（HAN系）とLMP-103S（ADN系）が実用化の最前線にあり、NASA GPIMで軌道実証も完了した。触媒技術の改良が今後の普及の鍵を握る。核熱推進のような大出力推進系との棲み分けの中で、グリーン推進は小型衛星から大型衛星の姿勢制御まで、宇宙推進の環境と安全の標準を塗り替えていくだろう。
参考文献
- NASA, “Green Propellant Infusion Mission (GPIM)”, NASA Mission Page. NASA GPIM
- Anflo, K. et al., “Flight Demonstration of New Thruster and Green Propellant Technology on the PRISMA Satellite”, Acta Astronautica, vol.65, 2009. ScienceDirect
- Masse, R.K. et al., “AF-M315E Propulsion System Advances and Improvements”, AIAA 2016. AIAA
- ECAPS, “LMP-103S Green Propellant”, ECAPS/Bradford Space. Bradford Space
- MDPI, “Special Issue: Green Space Propulsion”, Aerospace, 2025. MDPI Aerospace
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