ホールスラスタの最新動向｜電気推進の主力エンジン

はじめに

ホールスラスタ（Hall-effect Thruster, HET）は、電気推進の中で最も広く実用化されているエンジンだ。1970年代にソ連で実用化されて以来、数千基が軌道上で運用されてきた。比推力1,000〜3,000秒を実現しつつ推力密度が高いため、静止衛星の軌道保持からコンステレーション衛星の軌道上昇まで幅広く使われている。SpaceXはStarlinkコンステレーションにクリプトンを推進剤とするホールスラスタを搭載し、7,000基以上を運用中だ。本記事では動作原理から最新の大型化・高効率化動向まで解説する。

ホールスラスタの動作原理

E×Bドリフトによるプラズマ閉じ込め

ホールスラスタの核心は、磁場（B）と電場（E）の直交配置（E×B構造）にある。同軸環状のチャネル内で、アノード（陽極）からカソード（陰極）に向かって軸方向の電場が形成され、チャネル壁に埋め込まれた磁石が半径方向の磁場を生成する。

この構造下で電子はE×Bドリフトにより環状方向に周回運動（ホール電流）を行い、チャネル内に長時間留まる。一方、イオンは質量が大きいため磁場の影響をほとんど受けず、電場によって軸方向に高速で加速・排出される。

パラメータ	典型値
比推力	1,000〜3,000秒
推力	10 mN〜5 N（サイズ依存）
推力効率	50〜70%
投入電力	200 W〜50 kW
推進剤	キセノン（Xe）、クリプトン（Kr）

キセノン vs クリプトン

従来、ホールスラスタの推進剤はキセノン（Xe）が標準だった。キセノンは第一イオン化エネルギーが低く（12.1 eV）、イオン化効率が高い。しかし、キセノンは希少で高価（約$3,000/kg）であり、7,000機以上のStarlinkコンステレーションに使うには経済的に持続不可能だ。

SpaceXが選択したクリプトン（Kr）は、キセノンの約1/10の価格で入手できる。イオン化エネルギーはやや高い（14.0 eV）ため効率は5〜10%低下するが、大量調達のコストメリットが大幅に上回る。この判断は、小型衛星推進の選択肢における経済性重視のトレンドを象徴している。

主要なホールスラスタの比較

商用プロダクト

現在運用中または開発中の主要ホールスラスタを以下に比較する。

モデル	製造元	電力	推力	比推力	推進剤	用途
SPT-100	Fakel（露）	1.35 kW	80 mN	1,600 s	Xe	静止衛星軌道保持
PPS-1350	Safran（仏）	1.5 kW	90 mN	1,660 s	Xe	通信衛星・探査機
BHT-600	Busek（米）	600 W	39 mN	1,530 s	Xe/Kr	小型衛星
Starlink HET	SpaceX（米）	〜500 W	推定25 mN	〜800 s	Kr	Starlink軌道上昇
HERMeS	NASA/Aerojet	12.5 kW	589 mN	2,820 s	Xe	Gateway PPE
X3	U. Michigan/NASA	100 kW	5.4 N	2,340 s	Xe	大電力SEP

Starlinkのホールスラスタ

SpaceXはStarlinkのホールスラスタの詳細仕様を公開していないが、FCC申請や衛星の軌道データから推定される。Starlink V1.5/V2 Mini衛星は、打上げ投入軌道（約350km）から運用軌道（約550km）への軌道上昇に数週間〜数ヶ月かけてホールスラスタを連続噴射する。

注目すべきは、SpaceXがスラスタを自社設計・自社製造している点だ。従来の宇宙産業では推進系は専門メーカーから調達するのが常識だったが、SpaceXは垂直統合によりコストを大幅に削減している。

大型ホールスラスタの開発動向

NASA HERMeS / AEPS

NASAは月周回有人拠点Gatewayの推進モジュール（PPE: Power and Propulsion Element）用に、12.5kW級ホールスラスタ HERMeS（Hall Effect Rocket with Magnetic Shielding）を開発した。Aerojet Rocketdyneが製造を担当するAEPS（Advanced Electric Propulsion System）として実装される。

HERMeSの革新は磁気シールディング技術にある。従来のホールスラスタではチャネル壁がプラズマによるスパッタリングで侵食され、寿命が制限されていた。磁気シールディングにより、チャネル壁のイオン衝撃エネルギーをスパッタリング閾値以下に抑え、理論上ほぼ無限の壁寿命を実現する。

“Magnetic shielding reduces the plasma energy at the channel walls to below the sputtering threshold of boron nitride, effectively eliminating channel erosion as a life-limiting mechanism.”

― Hofer, R. and Kamhawi, H., “Development Status of the 12.5 kW Hall Effect Rocket with Magnetic Shielding (HERMeS)”, AIAA 2016

X3ネステッドホールスラスタ

ミシガン大学とNASAが共同開発したX3は、世界最大級の100kW級ネステッドチャネルホールスラスタだ。3層の同心円チャネルを持ち、各チャネルを独立に運用することで電力範囲を広くカバーできる。2017年の試験で推力5.4N、電力100kWを達成し、電気推進のスケーリング課題を解決する有力なアプローチとして注目されている。

次世代ホールスラスタの研究課題

壁なしホールスラスタ（Wall-less HET）

フランスCNRS/ICARE等が研究する壁なしホールスラスタは、物理的なチャネル壁を持たず、磁場のみでプラズマを閉じ込める。壁侵食の問題を根本的に排除し、長寿命化と推進剤選択の自由度拡大を目指す。

代替推進剤の探索

キセノン・クリプトン以外にも、以下の推進剤が研究されている。

ヨウ素（I2）: 常温で固体。貯蔵が容易で安価。ThrustMe社が2021年に軌道実証
亜鉛（Zn）: 金属推進剤。高密度で貯蔵効率が高い
ビスマス（Bi）: 低融点金属。大電力スラスタ向け

技術的なポイント

基礎知識

比推力（Isp）: 推進剤の利用効率を示す指標（秒）。高いほど少ない推進剤で大きなΔVを得られる
E×Bドリフト: 直交する電場と磁場中で荷電粒子が両方向に垂直な方向にドリフトする現象。ホールスラスタの電子閉じ込めの原理
磁気シールディング: 磁力線形状を最適化し、チャネル壁近傍のイオンエネルギーをスパッタリング閾値以下に制御する技術
スパッタリング: 高速イオンが壁面に衝突して壁材料を弾き出す現象。スラスタ寿命の主要制限要因

応用例

Starlink（7,000機+）: クリプトン推進ホールスラスタで軌道上昇・保持。史上最大の電気推進運用
ESA BepiColombo: SPT-140ホールスラスタ4基で水星への低推力遷移軌道を航行中
Astra/Firefly: 小型ロケット上段への電気推進統合（軌道精度向上）

まとめ

ホールスラスタは比推力と推力密度のバランスに優れた電気推進の主力だ。SpaceXはクリプトン推進により7,000基以上の大量運用を経済的に成立させ、NASAはHERMeS/AEPSで磁気シールディングによる12.5kW級長寿命スラスタを実現しつつある。イオンエンジンが比推力で優位な深宇宙探査向けとすれば、ホールスラスタは中推力・中比推力を要する軌道遷移・保持の王道であり、今後もコンステレーション時代の宇宙輸送インフラを支え続けるだろう。

参考文献

Hofer, R. and Kamhawi, H., “Development Status of the 12.5 kW Hall Effect Rocket with Magnetic Shielding (HERMeS)”, AIAA Propulsion and Energy Forum, 2016. AIAA
Lev, D. et al., “The Technological and Commercial Expansion of Electric Propulsion”, Acta Astronautica, vol.159, 2019. ScienceDirect
Conversano, R.W. et al., “Performance Analysis of a Low-Power Magnetically Shielded Hall Thruster”, Journal of Spacecraft and Rockets, vol.54, no.1, 2017. AIAA JSR
ThrustMe, “NPT30-I2: Iodine Electric Propulsion”, ThrustMe Official Site. ThrustMe
Hall, S.J. et al., “High-Power Performance of a 100-kW Class Nested Hall Thruster”, AIAA 2017. AIAA