はやぶさ」が地球へ帰還しました。そのドラマティックな展開からメディアに大きく取り上げられ、日本中が注目していたことは皆さまの記憶に残っていることと思います。残念なことに、そのドラマティックな面のみが強調され、深宇宙探査がどのようにおこなわれているのか、という基本の部分があまり国民へ伝わっていないということも事実です。そこで本稿ではまず、日本の宇宙開発の現状と、宇宙機に関する基礎事項の整理をおこないます。その後、日本の深宇宙探査プロジェクトの1例として「ソーラー電力セイル」を取り上げながら、深宇宙探査機の特徴について説明させていただきます。いったすべての点で、地球上とはまったく異なる極限環境です。宇宙工学とは、このような極限環境下で、「ロケットを用いて宇宙機を打ち上げ、宇宙機を正しく動作させ、地球観測や、他天体の探査をおこなう」ために必要な技術すべてを内包するものです。近年では、宇宙機に用いられる技術が高度化してきたこともあり、1人の人間がすべての技術を網羅することは難しくなってきています。そのため、個々の技術に特化したスペシャリストたちが集まり、それを統合して1つの宇宙機を作り上げています。宇宙機は、一般に「衛星」と呼ばれることが多いですが、大きく(1)人工衛星、(2)深宇宙探査機の2つに分類されます。望遠鏡を搭載する天文衛星が対応します。深宇宙探査機とは、地球以外の天体に向かう宇宙機であり、小惑星探査機「はやぶさ」などが対応します。これらの宇宙機の設計開発は、おもに宇宙研究開発機構(JAXA)や大学によって行われています。日本全体の宇宙事業はJAXAによって支えられています。(NAL、主に航空分野を担当)の3機関から構成されています。筑波宇宙センターが、深宇宙探査機や天文衛星はISASが、それぞれ担当しています一方、大学によるプロジェクトでは、「大学衛星」とよばれる超小型の人工衛星の設計開発がおもに大学院生から構成されるチームによっておこなわれています。大学という場の特性上、これらのプロジェクトの主目的は教育におかれています。設計開発はISASでのみおこなわれています。ISASが近年打ち上げた、もしくはこれから打ち上げが予定されている深宇宙探査機は以下の通りとなります。サンプルリターン機はやぶさとIKAROSのところに「世界初」とあるように、日本は現在、サンプルリターン機とソーラー電力セイルという2つの分野で世界トップの技術力を持っています。サンプルリターンとは、地球以外の天体や惑星間空間から試料を地球に持ち帰ることを指します。2010年6月13日に地球へ帰還した小惑星探査機はやぶさが、道中のトラブルを乗り越え、無事、小惑星「イトカワ」からサンプルを持ち帰ったことは大きく報道されました。一方のソーラー電力セイルについては次節で詳しくご説明したいと思います。ソーラー電力セイルとは深宇宙探査をおこなうすべての宇宙機は、(1)燃料の節約、(2)電力の確保という2つの課題をクリアしなければなりません。宇宙機は、他の天体へ向かう際に燃料を噴いて加速をするだけでなく、宇宙機の姿勢を保つためにもこまめな燃料の噴射を必要としています。惑星間空間にはガソリンスタンドのような燃料の補給所がないため、もともと用意された燃料がなくなった時点で、それ以降ミッションを続けることができなくなってしまいます。そのため、ミッションに必要な燃料をできる限り削減し、かつミッション中も燃料を節約しながら使っていくことが、深宇宙探査機には必要とされているわけです。通常宇宙機は電力を太陽電池による発電でまかなっています。宇宙機が地球周辺の太陽光が十分に当たる範囲にいるときにはこの方法で問題ありません。宇宙機が木星や、土星といった外惑星領域へ向かう場合には、太陽光が弱くなるために十分な発電ができなくなります。そのため、巨大な太陽電池を搭載するか、あるいは原子力電池を搭載するといった、十分な電力を確保するための工夫をおこなわなければなりません。[1]これらの2つの課題をクリアするための1つの方策として、これからご紹介する「ソーラー電力セイル」があります。「ソーラーセイル」は、海に浮かぶヨットのように巨大なセイル(帆)を持ち、光の力により推進する特殊な宇宙機です(図1)。ボールが板に当たると、板は衝撃を感じて押されるように、光にも物を押す力があります。この力を「光圧」と呼びます。前者は日常生活で体験できますが、後者の「光に押される」ということを日常生活で感じることはできません。光圧は非常に小さい力であり、大気がある地球上では人間には感知できないからです。場所を宇宙に移すと話が変わってきます。宇宙には大気がないため、微小な光圧によって宇宙機は押されていくのです。通常、この光圧は、宇宙機の姿勢を乱し、悪影響を与えるものとして捉えられています。この「ソーラーセイル」では、光圧を積極的に使うことで、燃料を消費することなく宇宙機が加速できるように設計されています。「ソーラーセイル」では、巨大なセイルを広げることによって、太陽光を十分に浴びることができ、より大きな光圧をより受けられるようになっています。「ソーラーセイル」によって燃料節約が可能になるので、つぎに電力確保の問題を考えなければいけません。そこで、日本では、独自の「ソーラー電力セイル」とよばれるコンセプトを提唱しています。これは、巨大なセイルに非常に薄く、軽量な「薄膜太陽電池」を貼り付けることで、発電も同時におこなうというものです。巨大なセイル全面に薄膜太陽電池を搭載すれば、太陽から離れた場所でも十分な電力が確保できるというわけです。宇宙で撮影した「自分撮り写真」を図2に、概念図を図3に示します。IKAROSはソーラーセイルの技術を実証するための宇宙機であるため、ソーラーセイルとしては小さめの、差し渡し20mの正方形形状をとっています。(=1円玉の1/10)です。IKAROSの収納風景セイルが収納された状態で打ち上げられたIKAROSは、宇宙で回転を始めます。その際に生じる遠心力を用いてセイルを広げ、図2のような形状にするわけです。セイル展開後の挙動から、光圧によって宇宙機が加速していることが確認され、IKAROSが世界初のソーラーセイルとして宇宙を飛行しました。図3に示されている薄膜太陽電池による太陽光発電も確認され、日本が提唱している「ソーラー電力セイル」というコンセプトが実現可能であることが実証されました。IKAROSは予定していたミッションを完遂し、現在も新たな成果を生み出すための運用を続けています。次期ソーラー電力セイル計画IKAROSの成功を踏まえ、ISASでは、次期ソーラー電力セイルを計画しています。この計画は、「IKAROS」で用いられた光圧による加速と、「はやぶさ」で用いられた非常に燃費のよいイオンエンジンによる加速という2つのコンセプトを融合させ、外惑星領域(木星領域)からサンプルリターンをおこなうというものです。次期ソーラー電力セイルは、一辺50mを超える巨大なセイルを持ち、その全面に薄膜太陽電池が搭載されています。これによって、太陽から遠く離れた木星圏でイオンエンジンを駆動できるだけの電力を確保することが可能となっています。木星領域までの片道飛行は過去のミッションにおいてすでに実施されていますが、木星領域から帰還するミッションは、燃料の問題で難しいとされており、いまだに実現できていません。日本の「ソーラー電力セイル」はこの問題を解決し、世界初の外惑星領域往復サンプルリターンミッションを実現する強力な手段です。「より遠く、より自在な」深宇宙探査へ、われわれはソーラー電力セイルにより手を伸ばします。