ロケットは、なにかを うしろへ ふき出して、その はんたいがわに すすみます。ふうせんの くちを はなすと、くうきが 出て ふうせんが とぶのと おなじです。

イオンエンジンは、キセノンという ガスを つかいます。ガスに 電気を おびさせて、つよい 電気の ちからで、いきおいよく ふき出します。そのはやさは、1びょうで やく 40kmです。

でも、ふき出す ものの りょうが すくないので、おす ちからは とても ちいさいのです。てに のせた かみ 1まいが てを おす くらいだと、NASAの しりょうに あります。

これは、Deep Space 1という 探査機たんさきの エンジンの れいです。ぜんぶの イオンエンジンが おなじ ちからでは ありません。

ロケットは、推進剤を後ろへ噴き出し、その反動で前へ進みます。風船の口を放すと、空気が出る向きと反対に飛んでいくのと同じ考え方です。

イオンエンジンの場合、推進剤はキセノンというガスです。ガスの粒に電気を帯びさせてイオンにし、約1300ボルトの電気を加えた2枚の格子でイオンを加速します。Deep Space 1のエンジンでは、秒速約40kmで噴き出します［1］。これは時速になおすと14万kmあまりで、新幹線の約480倍です（新幹線を時速300kmとして計算）。

ところが、そのとき探査機が受ける力は意外なほど小さいのです。NASAの説明では、手にのせた紙1枚が手を押す程度で、キセノン1kgを使い切るのに4日以上かかることもあるといいます［1］。ただしこれはDeep Space 1のエンジンの例で、すべてのイオンエンジンの推力ではありません。

これほど弱い力で、どうして役に立つのでしょうか。

ロケットは推進剤を後ろへ噴き出し、その反動で進む。イオンエンジンでは、推進剤のキセノンガスをイオン化し、約1300ボルトの電位差をかけた2枚の格子で加速して噴き出す。Deep Space 1の例では、噴出速度は秒速約40km、つまり時速14万kmあまりで、新幹線（時速300kmとする）の約480倍にあたる［1］。

だが、速く噴き出すことと、強く押すことは別である。1秒に噴き出す推進剤の量が少ないため、探査機が受ける力は小さい。NASAは、手にのせた紙1枚が手を押す程度と表現しており、キセノン1kgを使い切るのに4日以上かかる場合もあるという［1］。ただし「紙1枚」はDeep Space 1のエンジンの例であり、機種や運転条件によって推力は大きく異なる。

では、これほど弱い力のエンジンを、なぜわざわざ宇宙へ持っていくのか。答えは、力の強さではなく、推進剤の使い方の効率にある。

イオンエンジンは、ふき出す ガスの つかい方が とても じょうずです。Deep Space 1の エンジンは、ふつうの ロケットと おなじように 探査機たんさきを おすとき、つかう ガスが やく 10ぶんの 1で すむと、NASAは せつめいして います。

はやく ふき出すほど、おなじ りょうでも、ながく おし つづけられるからです。

そのかわり、おす ちからは よわいので、じかんが かかります。日本にほんの「はやぶさ」は、イオンエンジンを 4だい のせて、うち 3だいを いっしょに うごかしても、とても よわい ちからでした。

アメリカの「ドーン」という 探査機たんさきは、イオンエンジンで、小惑星しょうわくせいベスタを まわり、そのあと セレスという ほしにも むかいました。ふつうの ロケットでは、そんなに たくさんの ガスを つめなかったと いわれて います。

推進剤を使うロケットの性能は、「比推力」という物差しで比べます。同じ量の推進剤で、どれだけ長く押し続けられるかの目安です。NASAのDeep Space 1の資料では、このエンジンの比推力は化学推進の約10倍で、同じように探査機を押すときの推進剤は約10分の1ですむと説明されています［1］。この比べ方はエンジンや条件によって変わります。

はやぶさのイオンエンジンμ10（ミューテン）の比推力も、化学推進より桁が1つ上だという解説があります［2］。静電気の力でイオンを加速するので、噴き出す速さが大きく、同じ推進剤でも長く押せるのです。

代わりに、力は小さくなります。JAXA宇宙科学研究所の資料によると、はやぶさのエンジンは1台あたり約8ミリニュートン、最大3台を同時に運転して約24ミリニュートンです（資料や運転条件で値は少し異なります）［3］。8ミリニュートンは、1円玉1枚（1g）が手にかける重さよりやや小さい力にあたります。

それでも長く押し続ければ、探査機はしだいに速くなります。NASAのNEXTというイオンスラスタは、2012年までに4万3000時間以上運転され、キセノンを770kg以上使いました。4万3000時間は約5年にあたります［4］。

この「小さな力を長く」の強みを活かしたのが、探査機ドーンです。2007年に打ち上げられ、小惑星ベスタを約14か月周ったあと、準惑星セレスに2015年に到着しました。NASAはこれを、2つの天体にそれぞれ長く滞在する探査として紹介しています。推進剤の量が足りず、化学ロケットでは難しかったとされています［5］。

推進剤を使う推進装置の効率は、比推力で表す。同じ量の推進剤でどれだけ長く推力を出せるかの目安である。NASAのDeep Space 1の資料によると、このイオンエンジンの比推力は化学推進の約10倍で、同じように探査機を押す場合の推進剤は約10分の1ですむ［1］。比べる条件によって倍率は変わる。はやぶさのμ10も、化学推進より比推力が桁で1つ大きいという解説がある。この差は、静電気力（クーロン力）で加速したイオンを、化学反応で出る高温ガスよりずっと速く噴き出せることから生まれる［2］。

ただし、その代償が推力の小ささである。JAXA ISASの資料では、はやぶさのエンジンは1台の推力が約8ミリニュートンで、4台のうち最大3台を同時に運転して約24ミリニュートンになる。資料や運転条件で8、10、24と値が異なるため、条件つきの数字として扱う必要がある［3］。8ミリニュートンを重さに換算すると約0.8gの物体にはたらく重力に等しく、1円玉（1g）より軽い。

弱い力を実用にするのは、運転時間の長さである。NASAのNEXT（7kW級）は2012年時点で4万3000時間以上運転され、キセノンを770kg以上消費し、総推力量は3000万ニュートン秒に達しうるとされた。4万3000時間は約4.9年にあたる［4］。

その成果の一例が探査機ドーン（2007年9月27日打ち上げ）で、ベスタを2011年7月から約14か月周回し、2015年3月にセレスへ到着した。NASAは、性質が大きく異なる2つの天体に長く滞在する探査として紹介している。化学ロケットでは、この旅に必要な推進剤を積めなかったと説明されている［5］。

こうして、小さな力でも推進剤を節約できる理由は分かる。では、この電気推進にとって本当の制約は何か。それは推進剤ではなく、エンジンに送る電気である。

イオンエンジンは、電気で うごきます。電気が たりないと、ちからが 出ません。

これまでの 探査機たんさきは、たいようの 光で 電気を つくる パネルを ひろげて いました。でも、たいように とおくなるほど、光は よわく なります。

もくせいに むかった「ジュノー」という 探査機たんさきの パネルは、地球の ちかくなら、やく 14キロワットの 電気を つくれます。ところが、もくせいでは、やく 500ワットしか つくれません。

だったら、パネルを もっと 大きく すれば いいのでしょうか。それにも かぎりが あります。そこで、電気の もとを、探査機たんさきに のせて いく というアイデアが 出て きました。

電気推進のエンジンは、電気が来なければ力を出せません。それまでの探査機の多くは、太陽電池パネルでその電気をまかなってきました。

ところが、太陽から遠ざかると光は急に弱くなります。木星探査機ジュノーの太陽電池パネルは、地球の近くなら約14キロワットを出せますが、木星では約500ワットしか出せない、とNASAのJPLは紹介しています［6］。500÷14000は約0.036で、約3.6%です。NASAの別の資料でも、木星での太陽光の強さは地球の3.4〜4.1%とされていて、数字は食いちがっていません［7］。

光の強さは、距離が2倍になると4分の1、3倍になると9分の1というふうに、距離の2乗に反比例して弱くなります。だからパネルを大きくしても、遠くへ行くほど追いつかなくなるのです。

そこで考えられたのが、電気の元を探査機にのせていく方法でした。それが、原子炉で電気をつくり、その電気でエンジンを動かす「原子力電気推進」です。

電気推進は、推進剤を節約できる代わりに、電力を大量に必要とする。そのため、遠い宇宙ほど太陽電池が足を引っぱる。木星探査機ジュノーの太陽電池は、地球近傍なら約14キロワットを出せるが、木星では約500ワットまで落ちるとNASAのJPLは述べている［6］。500÷14000は約0.036で、約3.6%である。NASAのNTRSの資料にも、木星での太陽光の強さは地球の3.4〜4.1%という値があり、検算と矛盾しない［7］。

この落ち方は、光の強さが距離の2乗に反比例するためである。距離が2倍なら4分の1、3倍なら9分の1となる。パネルの面積を増やす手もあるが、大きなパネルは探査機の設計や打ち上げにも影響する。推進剤は節約できても、遠くへ行くほど電源の確保が難しくなる。

そのため、太陽の光に頼らない電源、つまり原子炉を積んで発電し、その電気でイオンエンジンなどを動かす構想が生まれた。NASAはこれを原子力電気推進と呼び、深宇宙で効率よく大きな質量を運べる方法だと説明している［10］。

では、この構想は、実際にどこまで進んでいるのか。

じつは、原子げんし炉ろと 電気の エンジンを くみあわせる けいかくは、むかしにも ありました。

アメリカの NASAは、2002ねんから、もくせいの こおりの 衛星えいせいを まわる 探査機たんさきを かんがえました。でも、2005ねんに とりやめに なり、探査機たんさきは つくられませんでした。

いま、NASAが めざして いるのは、「SR-1 Freedom（エスアール・ワン フリーダム）」です。NASAは、これを「人るいで はじめての、原子げんしの ちからで 電気を つくる、惑星わくせいの あいだを とぶ 探査機たんさき」と よんで います。2028ねんの おわりに うち上げる ことを めざしています。

のせる 原子げんし炉ろは、20キロワットくらいの 電気を つくります。ジュノーの パネルが もくせいで つくる 500ワットの、やく 40ばいです。その 電気で 12キロワットの エンジンを うごかします。

ゆく先は 火星です。ただし 火星を まわるのでは なく、火星の ちかくを とおりすぎながら、火星用の ヘリコプター 3きを とどける けいかくです。とおりすぎるのは 2029ねんで、たびは 1ねんくらいの よていです。

原子炉と電気推進を組み合わせる計画は、前にもありました。NASAのJIMO（木星氷衛星周回機）です。2002年に始まり、木星の氷の衛星をめぐる構想でしたが、2005年に中止され、機体は作られませんでした［8］。それでも構想は、そのあと消えませんでした。

いま動いているのが、NASAのSR-1 Freedomです。NASAはこれを「人類初の核分裂動力の惑星間探査機」と位置づけ、2028年末の打ち上げを目指しています。原子炉は電気出力20キロワット級（熱でガスを回してタービンを動かす、閉サイクルのブレイトン方式で発電）で、推進には12キロワットのホール式スラスタ（電気でガスを噴き出すエンジンの一種）を使い、原子炉の電気で電気推進を動かす方式を、初めて宇宙で確かめるとされています［9］。

20キロワットは原子炉の電気出力です。木星で約500ワットしか出なかったジュノーの太陽電池と比べると、約40倍にあたります（ジュノーの約14キロワットは地球の近くでの値なので、同じ条件の比べ方ではありません）。

NASAの発表を伝える報道によると、SR-1 Freedomは火星の近くを通過しながら、火星用ヘリコプター3機（SkyFall）を展開する計画で、時期は2029年、旅は約1年の予定です。火星を周回する計画ではありません［10］。ただし日程は計画の段階のもので、変わることもありえます。

原子炉と電気推進を組み合わせる構想は、これが初めてではない。NASAのJIMO（木星氷衛星周回機）は、原子炉と強力な電気推進で木星の氷衛星を周回する構想で、2002年に始まり2005年に中止された。機体は作られなかった［8］。中止の理由は論者の意見が分かれるため、ここでは立ち入らない。

その構想を引きついだ形で動いているのが、NASAのSR-1 Freedomである。NASAは「人類初の核分裂動力の惑星間探査機」と位置づけ、2028年末の打ち上げを目指している。原子炉は電気出力20キロワット級で、閉サイクルのブレイトン方式で熱を電気に変える。推進は12キロワットのホール式スラスタ（AEPS）で、原子力電気推進を初めて実証する［9］。

20キロワットは原子炉の電気出力で、ジュノーの太陽電池が木星で出す約500ワットの約40倍にあたる（約14キロワットは地球近傍での値で、条件が異なる）。この余裕があるため、太陽光の弱い場所でも大きな電力で推進できる。NASAは、これが木星より遠くの大電力ミッションを可能にすると説明している［10］。

報道によれば、SR-1 Freedomは火星付近を通過してヘリコプター3機（SkyFall）を展開する計画で、時期は2029年、旅は約1年の予定である。火星の周回ではない［10］。ただしこれは計画の段階の数字であり、「late 2028」のように幅をもたせた言い方も使われている。

「原子げんし炉ろを のせる」と きくと、しんぱいに なる ひとも いるかも しれません。

NASAの ひとは、「ちじょうでは、原子げんし炉ろは とまっている」と せつめいしています。宇宙うちゅうに 出てから、はじめて うごかす せっけいです。

原子炉を積むと聞くと、安全が気になります。NASAのSinacore氏は、「地上では、原子炉は止まっている」と説明しています。宇宙に出てから起動する設計だということです［10］。

ここまでを一本線にすると、こうなります。電気推進は、小さな力でも推進剤が少なくてすむ。ただし電気が要る。太陽が弱い場所では、その電気を自分で持っていくしかない。だから原子炉をのせて、実際に試すのがSR-1 Freedomです。

NASAのSinacore氏は「地上では原子炉は止まっている」と述べている［10］。つまり設計の説明としては、打ち上げ前は原子炉を停止状態にしておき、宇宙に出てから起動する。

ここまでの筋道は、次のようになる。電気推進は比推力が高く推進剤を節約できる。しかし推力が小さいため、長く運転でき、かつ大きな電力を安定して出せる電源が要る。太陽から遠い場所では太陽電池の出力が下がるため、原子炉を電源にする案が検討されている。SR-1 Freedomは、それを実際に確かめる最初の機会になる。

残る問いもある。この設計が、実際に宇宙でどこまで長く安定して動くのか。その答えが出るのは、まだ先のことである。

きょう できる こと

てのひらに、かみを 1まい のせて みましょう。この かるさが、Deep Space 1の エンジンが おす ちからの めやすです。

よるに、かいちゅうでんとうを かべに むけます。かべから 1メートルと 2メートルで、あかるさが どれくらい ちがうか、みくらべて みましょう。ひとの いない ほうへ むけ、ひとの めには むけないでください。

しらべる とき

NASAの「Space Reactor-1 Freedom」の ページを、おうちの ひとと みて みましょう。うち上げの よていが かわったか、たしかめられます。

今日できること

手のひらに紙を1枚のせてみましょう。Deep Space 1のイオンエンジンが探査機を押す力は、この紙の重さの感覚に近いといわれます。

夜に懐中電灯を白い壁に向け、壁から1mと2mで、明るさがどれくらい変わるか見比べます。距離が遠いほど光が弱くなる様子が分かります。ただし、壁を照らす広さも変わるので、「4分の1」と正確に確かめることまではできません。人の顔には向けないでください。

続報を追うなら

NASAのSR-1 Freedomのページに、計画の最新情報が出ます。打ち上げの時期は、この記事に書いたあとで変わっているかもしれません。

自分で確かめる

紙1枚を手にのせ、Deep Space 1の推力の目安を体で確かめる。また、懐中電灯を壁に向けて距離を1mと2mに変え、明るさを見比べると、距離が遠いほど光が弱まる様子が分かる。ただし照らす広さも変わるので、2乗に反比例することまでは確かめられない。人の目には向けない。

資料の読み方

本文の数字のうち、はやぶさのエンジンの値は二次資料に基づくので、JAXAの原文で確かめるとよい。SR-1 Freedomは計画段階で日程が変わりうるため、NASAの公式ページで最新の状況を見ること。