【特集：日本の宇宙戦略を問う】ロケットエンジンの進化による、これからの宇宙探査の可能性

2019/03/05

結論から言えば、宇宙探査の可能性は「エネルギー密度」にかかっている。密度が上がるごとに次なるステージに進むことができる。本稿では、これからの新しい宇宙探査を切り開く鍵について、特にロケットエンジンの観点から考えてみたい。

一般に宇宙探査と言えば、「ボイジャー」や「はやぶさ」を思い浮かべることだろう。もちろん、これらは現在を代表する宇宙探査機である。しかし、科学者に「自由に探査ができるとすれば？」と問えば、天の川銀河系内の様々な恒星、お隣り銀河のアンドロメダ、果ては100億光年彼方を探査したいとの回答が返ってくるだろう。太陽系外縁や小惑星はあくまで「今、実施可能な」探査である。

では、近い将来を想定した際にどこまで到達可能だろうか？　私なりの回答を言えば、「近未来（100年後くらい）技術を駆使してアルファ・ケンタウリに届くかどうか」だ。逆に言えば、それこそが「これからの探査」として目指す場所と考えている。

ケンタウルス座の第１番目の星という意味のアルファ・ケンタウリは、太陽からわずか38兆キロメートル離れた全天中でもっとも太陽に近い恒星である。広大な宇宙の中でみれば正にお隣りさんであるが、100年後の技術をもってしても「届くかどうか」というのはどういうことか。これは単純にスケールが違い過ぎるからだ。

はじめに宇宙のスケールを見てみよう。東急東横線日吉駅の「虚球自像（通称、銀玉）」の位置に太陽を、日吉キャンパスに向かい横断歩道を渡る直前に地球を置いてみる。このとき、金星は駅ビルの中、火星は横断歩道を渡った付近、木星は並木道からキャンパス内に進む分かれ道付近である。土星は藤山記念館や第６校舎などのキャンパスエッジ、天王星は矢上キャンパスの入り口、海王星は元住吉駅まであと300メートルの地点となる（なお、このスケールでは太陽は直径０．３ミリメートルの砂粒である）。人類史上もっとも遠くに到達した人工物であるボイジャー１号は、現在、田園調布駅の手前にきている。さて、このスケールにおいてアルファ・ケンタウリがどこに位置するかと言えば、ベルリンあるいはロサンゼルスだ。とにかく遠い。

この広大な宇宙空間を探査するためには、必然的に「速さ」が必要となる。如何に速さを上げるか、加速するかが鍵だ。しかし、宇宙における加速は極めて厄介だ。普段意識していないが、地上では徒歩にしても車にしても、地面を押すことで「速さ」を上げている。加速するためには力が必要であり、力を得るためには何かを押すことが必要なのである。しかし、宇宙空間においては周囲に何もない。このため、何か押すモノを自分で持っていき、そのモノを外に投げることで加速する。このような加速の方式をロケット推進と呼び、ロケットエンジンとはそのための装置である。私達が普段「ロケット」と呼んでいる飛翔体は、「ロケット推進を用いた打上げ機」の略称だ。つまり、ロケットとはあの特徴的な形を指すのではなく、その推進方法を指している。

そして、モノを投げるときには選択肢がある。それは重いものを遅く投げるか、軽いものを速く投げるかだ。両者を掛け算した値が同じであれば、得られる力つまり加速は同じである。そして、宇宙ではガソリンスタンドのように、モノを補給する場所がないため、投げるモノはできるだけ節約し、その分を「投げる速さ」でカバーしたい。ロケットエンジンにおいて「投げる速さ」は燃費そのものであり最重要の指標となる。

また、ロケット推進におけるもう１つの特徴がモノを投げる度に自身が軽くなる点である。同じ力を加えた場合、機体が軽いほど大きな加速が得られる。したがって、同じようにモノを投げて加速していても、投げるほどに加速量は大きくなるのである。これは利点ではない。加速量を増やすために「投げるモノ」をたくさん搭載すると、重くなった分だけ加速が減ってしまうことを意味しているからだ。

これら「モノを投げる速さ」と「加速」を関係づけた式が、宇宙工学においてもっとも有名な「ロケット公式」である。

例えば、あなた自身を含めて100キログラムの車体に、900キログラム分のボールを搭載した合計１トンの「ロケット」を考えよう。あなたが全てのボールを時速50キロの速さで投げ続けた場合、最終的に得られる速さは時速115キロである（摩擦は考えない）。さらに加速するためにボールの量を9900キログラムに増やしても最終的な速さは時速230キロにしかならない。一方で、投げる速さを時速100キロに倍増すると、合計１トンの最初の仮定のままでも到達速度は時速230キロとなる。「モノを投げる速さ」の重要性がわかる。

しかし、「モノを投げる速さ」を上げるには、その分だけエネルギーが必要である。ピッチングマシーンを考えれば、倍の速さでボールを射出するためには強力なモーターを動かす大電力が必要であることはわかるだろう。そして、地上の装置であればコンセントからいくらでも電力をとれるが探査機ではそうはいかない。宇宙空間を飛んでいるのであるから、増やす分のエネルギー自体も運搬しなければいけない。

では、エネルギーを運搬するためにはどうしたら良いだろうか。物理学を学んだ方は、エネルギーには、電気、化学、光、風力、水力、核（原子力）、運動、位置、熱など多様な形があり、損失を伴いながらお互いに変換できることを思い出して欲しい。ただ、長時間の運搬に適した形となると選択肢は意外と少ない。現実的な選択肢は電気エネルギーと化学エネルギーの２つであり、それぞれ電池と燃焼が具体的な方法である。

この２つの方式を比べてみよう。探査機として見た場合、１キログラムあたりのエネルギー量（これをエネルギー密度と呼ぶ）が重要である。電池に関しては年々その性能は上がっているが、現在のリチウムイオン電池のエネルギーは１キログラムあたり800キロジュール程度である（キロジュールはエネルギーの単位）。

次に燃焼に関してはロケットエンジンにおける代表例として水素と酸素の燃焼を考えよう。０．１キログラムの水素と０．９キログラムの酸素を燃やすと約１万3000キロジュールのエネルギーが取り出せる（空気中の酸素を使う通常の燃焼と異なり、酸素も運ぶ点に注意）。水素と酸素の貯蔵にはタンクが必要であることを考えても、装置として１キログラムあたり１万キロジュールほど。電池よりも10倍以上と高い値である。このエネルギー密度の圧倒的な差こそ、これまで電気自動車よりもガソリン自動車が使われてきた理由である。

ロケットエンジンとしてみた場合、燃焼はもう１つ別の利点を持つ。それは「投げるモノ」と「エネルギー源」が同一である点だ。エネルギー源として電池を選んだ場合、例えば１キログラムの電池と１キログラムのモノの２つが必要となる。しかし、燃焼では１キログラムの水素／酸素から取り出したエネルギーを使って水素／酸素自体を投げれば良い。これはモノとエネルギーが必要なロケットエンジンにとって大変都合がよい。この特性も相まって、打上げ用ロケットエンジン、宇宙航行用ロケットエンジンのどちらにも長年にわたり燃焼つまり化学エネルギーが使われてきた。

別のエネルギー源として身近なものに太陽電池がある。これは太陽光エネルギーを電気エネルギーに変える装置であり、貯蔵を行う電池や燃焼とは少し異なる。しかし、時間も考慮にいれて「エネルギー密度」を考えれば同列に扱うことも可能だ。地球では１秒間に一平方メートルあたり約１．３キロジュールの太陽光エネルギーが降り注ぎ、これを電気に変換すると約０．４キロジュールとなる。また、一平方メートルの宇宙用太陽電池の重さは10キログラム程だ。つまり、１秒間かつ１キログラムあたり０．０４キロジュールのエネルギー密度である。ただ、これは「１秒間」の話であり、仮に１年間発電し続けることを考えると、１年間かつ１キログラムあたりのエネルギーは120万キロジュールを超える。燃焼よりも100倍ほどのエネルギー密度だ。

この太陽電池と長時間発電の組み合わせをロケットエンジンに応用した装置が、「はやぶさ」で有名になったイオンエンジンである。燃焼よりも100倍のエネルギーが使えれば、モノを投げる速さを10倍にできる（エネルギーと速さの関係は比例ではない点に注意）。圧倒的に効率的な加速ができる。

ただし、このイオンエンジンにも大きな欠点が２つある。１つは、太陽から遠ざかるほど発電量が減ることだ。木星で25分の１、土星で100分の１、海王星まで行くと900分の１になってしまう。現状、イオンエンジンを利用して有意な加速ができるのは木星より内側の領域のみだ。もう１つの欠点は、地上からの打上げのように長時間発電が許容されないケースがあることだ。地球の重力によって減速される状況であっては短時間のうちに加速が必要であり、１年間かけてエネルギーを獲得していては話にならない。この意味で太陽光発電＋イオンエンジンの使い所には制限がある。

話を探査機の速さに戻そう。ボイジャー１号は打上げ後２年で木星に、３年で土星に到達した。現在の速さは毎秒17キロメートルであり、太陽系を離れていく人工物としては最速を誇る。しかし、この速さをもってしてもアルファ・ケンタウリに到達するには、約８万年の時間がかかる。打上げロケットの増強やイオンエンジンの使用により幾分かの短縮はできるだろう。ただ、投げるモノを10倍にしても（10倍大きな打上げロケットを使うということ）速さは２倍強にしかならない。遠くに行くほど発電量が減るため太陽光発電イオンエンジンを投入しても２倍程度の速さが限界だろう。ほかにもスイングバイを多用したりしても到着時間１万年が関の山だ。一方、人類スケールで見れば、どう考えてもさらに時間を10分の１に短縮する、つまりは速さを10倍にする必要がある。このためには、エネルギー密度を100倍にする必要がある。この実現には、電気でも化学でもないエネルギー源として、核エネルギーが必須となろう。

宇宙への核エネルギーの利用は将来の話ではなく、進行形あるいは過去形の話だ。そもそも木星以遠を訪れる探査機において、太陽光発電によるエネルギーが極端に小さくなることは、速さという観点以前に大きな問題である。探査機は地球と通信しなければ意味をなさないし、姿勢の制御や温度の調整なども必須であり、探査機の基本機能の維持には全て電力が必要である。しかし、海王星の地球の900分の１という太陽光ではこれらを賄うことができない。このため、木星以遠の探査には最新の木星探査機ジュノーを除いて全て「原子力電池」が使われてきた。これは核エネルギ—によって太陽距離に関係なく発電を行う装置である。

原子力電池の基本的な構成は、放射性物質と熱電変換素子である。ある種の物質は原子内部の原子核が自然に分裂する（核分裂）性質を持ち、この分裂時に多大なエネルギーを放出する。その物質を放射性物質、このような反応は放射性崩壊と呼ばれる。放射されたエネルギーは周囲の壁面に衝突し、熱エネルギーに変換される。この熱を電気へ変換する装置が熱電変換素子である。理化学実験で多用される「熱電対」は同じ素子（現象）を温度測定に利用するものである。放射性崩壊は太陽からの距離とは無関係に生じ、海王星やさらにその先でも利用ができる。放射性崩壊の反応も徐々に減っていくが、典型的な原子力電池の場合、出力が半減するまでの期間は88年と極めて長い。

一方、原子力電池の難点はその取扱性の困難さと効率の悪さである。原子力電池に利用される代表的な放射性物質はプルトニウムである。このプルトニウム１キログラムからは１秒間に０．５キロジュールのエネルギーが放出される。これは太陽電池の10倍以上の値であるが、これを電気へ変換する過程においてその95％が捨てられてしまう。さらに、プルトニウムを保管する容器、熱を受ける部材等を含めて装置としてみると、原子力電池１キログラムから１秒間に取り出される電気エネルギーは０．００５キロジュールほどである。太陽電池と比べて10分の１にまで落ちてしまっている。

これまで原子力電池は、土星以遠における唯一無二のエネルギー源として使われてきた。しかし、これらは探査機の機能維持のための電力であり、加速に使うエネルギーのためではない。もし核エネルギーを探査機の加速に使うことができれば新しい宇宙探査の世界が開けてくる。プルトニウム１キログラムから得られるエネルギーの総量を計算すると約20億キロジュールであり、太陽電池（１年間）より３桁も大きい。これまでに人類は、太陽光発電＋イオンエンジンの組み合わせにより、秒速10キロメートルの加速を行った経験を持つが、上記の核エネルギー量をそのままこの例に当てはめれば、秒速数百キロメートルの加速が可能と言える。そうすればアルファ・ケンタウリまで1000年を切るかもしれない。

ただし、この計算には２つの問題がある。１つは熱から電気への変換効率が５％程度と低い点、もう１つは時間である。仮にプルトニウムの核エネルギーを放射性崩壊により取り出そうとした場合、その90％を取り出すには300年近くを要する。探査機の加速だけに300年を要することはできない。より効率よく、より短い時間で核エネルギーを電気エネルギーに変換する方法が必要だ。

このための方法も地上では既に実現している。放射性崩壊ではなく連鎖反応を利用するのだ。放射性崩壊は偶発的に生じる核分裂を利用していたが、ある核分裂をきっかけとして別の核分裂を引き起こすことで連鎖的に反応を起こすこともできる。これを利用すれば大量の核分裂を生じさせることができる。さらに、この連鎖反応は周囲に存在する原子の数や周囲の条件（反射や吸収）によって制御することが可能だ。そのようにして、ちょうどよい速さの核分裂反応を生じさせる装置が原子炉であり、原子力発電所で使われている方法だ。原子力発電所では熱から電気へのエネルギー変換は、火力発電と同じようにタービンを回して行われる。このときの効率は30％程度と熱電変換素子よりも大きい。つまり、原子炉は原子力電池よりも効率的に短時間で核エネルギーを使う可能性を持つ装置である。

実は、宇宙用原子炉の研究は1960年代にアメリカやソ連において多く進められ、宇宙での使用経験すらもある（地上の原子力発電とは異なるタイプ）。しかし、現在進行形のプログラムは存在しない。この理由は、核燃料の地上打上げのリスク、太陽光発電の性能向上が大きい、そして深宇宙における大電力の必要性がなかったことによるだろう。

ただ、人類の宇宙探査の領域は広がり、さらなる拡大のためにエネルギー密度の向上は不可欠である。エネルギーとしては核融合や反物質というワードもあるが、化学、電気、原子力含めて、それらの本質的な違いはエネルギー密度だ。そして、次に人類が操れる高密度エネルギー源は原子力（核分裂）であろう。このためには軽量で高効率な宇宙原子炉の技術と、安全な打上げ方法の確立が必須である。宇宙における加速では軽さが命であり重さを気にしない地上の原子力発電とは大きく異なる。また、放射線に満ちた宇宙では原子炉からの放射線を全方位に渡って遮る必要もないし廃炉や事故処理の考え方も異なる。地上での知見をベースにしつつも宇宙に適した設計が必要だろう。打上げの問題は難題ではあるが、打上げロケット技術や信頼性向上という追い風はある。また、小分けにすることでのリスク分散や、宇宙における濃縮といった方法も有効だろう。

この背景で見ると、日本が誇る高信頼性打上げロケットやこれまで培ってきた原子力利用・失敗経験は大きな武器と言える。日本の宇宙予算は極めて小さい。アメリカの10分の１、中国の数分の１であり、これからの探査を考えた時に力勝負では話にならない。近年は宇宙系ベンチャーが活発であり日本にも期待される企業がいくつもある。しかし、これもアメリカや中国に比べると数が２桁３桁少ない。ベンチャー企業が生き残る本質は確率であるから、こちらも力勝負は考えものだ。日本の勝ち筋を考えた場合、米国の新興ロケット企業のようにチャレンジ精神でひたすら進むより、Ｈ-ⅡＡロケットのように着実にコマを進める方向であろう（この点、チャレンジの塊であった「はやぶさ」はかなりの例外だが）。もしかすると、慎重さが求められる宇宙原子炉の実用化は日本に向いているかもしれない。

ただ、実際のところ、原子力利用においては、技術的な課題よりも社会的な課題の方が困難に見える。３・１１において様々な問題が明るみに出たことは事実であるが、以降の原子力を巡る議論は感情論と極論ばかりが先行している。「絶対安全」のような非科学的な議論が横行しているようでは、真の利用は夢のまた夢だろう。科学的にリスクを確率的に捉え、メリットとデメリットを天秤にかける。これはどのような技術に対する決断としても基本である。その採否は政治的なものであるが、それとは並行して行う科学的・技術的な検討は妨げられるべきではない。これは一朝一夕に解決する問題ではなく、科学者・技術者が真摯に対話をつづけていくことが唯一の道だろう。

本稿では、ロケットエンジンに焦点をあてて「これからの宇宙探査」を述べたが、これは宇宙探査の極々一部でしかない。宇宙探査のために探査機に求められる機能は様々であり、ロケットエンジンは中核ではあろうが、そのうちの１つでしかない。宇宙工学は、学問的に分類では総合工学と呼ばれる。これは、様々な学問を駆使してある１つの目的を達成するという学問を指す。したがって、宇宙探査に必要な学問および知識が全分野にわたることは必然と言える。これら宇宙探査の全貌に興味があれば、拙著『宇宙はどこまで行けるか——ロケットエンジンの実力と未来』（中公新書）をご参照いただきたい。