電動セイル

電気帆（電気太陽風帆またはE-帆とも呼ばれる）は、太陽風の動圧を推力源として利用する宇宙船の推進方式として提案されている。小さな電線を使って電界を形成し、太陽風の陽子を偏向させてその運動量を抽出することで「仮想」帆を作り出す。このアイデアは、2006年にフィンランド気象研究所のペッカ・ヤンフネンによって初めて概念化された。^[1]

電気セイルは、搭載された電子銃によって高い正電位に保たれた、細くて長い導電性のテザーで構成されています。^[2]正に帯電したテザーは太陽風の陽子を偏向させ、そこから運動量を引き出します。同時に、太陽風プラズマから電子を引き寄せ、電子流を生成します。電子銃は、到着した電流を補正します。

テザーを展開する方法の 1 つは、遠心力を利用してテザーを伸ばしたまま宇宙船を回転させることです。個々のテザーの電位、つまり太陽風の力を個別に微調整することで、宇宙船の姿勢を制御できます。

電子帆ミッションは、移動時間にわずかな変化しかなく、ほぼいつでも打ち上げることができます。対照的に、従来のスリングショットミッションでは、惑星が特定の位置に到達するまで待たなければなりません。^[3]

電気太陽風セイルは、従来の太陽セイルとの共通点がほとんどありません。E-sail は太陽風のイオンから運動量を得ますが、光子セイルは光子によって推進されます。したがって、利用可能な圧力は光子圧力の約 1% にすぎませんが、これはスケールアップの単純さによって補われる可能性があります。E-sail では、セイルの部分は、ホスト船の周囲に放射状に配置された真っ直ぐな導電性テザー (ワイヤ製) によって行われます。ワイヤは電気的に帯電しているため、ワイヤの周囲に電界が生成されます。ワイヤの電界は、周囲の太陽風プラズマに数十メートルまで広がります。浸透距離は太陽風プラズマの密度に依存し、プラズマのデバイ長に比例します。太陽風の電子は電界に影響を与えるため (従来の太陽セイルの光子と同様に)、テザーの有効電気半径は、実際のテザー自体ではなく、テザーの周囲に生成される電界に基づきます。この事実により、テザーの電荷を調節して操縦することも可能になります。

フルサイズの帆には、それぞれ約20km（12マイル）の長さのまっすぐなテザーが50〜100本あります。 ^[4]

^{[5] [6]}もう一つの燃料不要の深宇宙推進システムである反射型ソーラー光帆と比較すると、電気ソーラー風帆は太陽からより遠くまで加速し続けることができ、外惑星に向かって巡航しながらも推力を発生させ続けることができる。氷巨星に到達するまでに、速度は20 km/s（45,000 mph、72,000 km/h）に達する可能性があり、これはニューホライズンズ探査機と同等だが、重力の助けはない。

微小隕石による細いテザーへのダメージを最小限に抑えるため、テザーは直径25～50マイクロメートルの複数の撚線を一定の間隔で溶接して作られる。こうすることで、たとえ1本のワイヤーが切断されたとしても、編組ワイヤーの全長にわたる導電経路はそのまま残る。超音波溶接の実現可能性は、2013年1月にヘルシンキ大学で実証された。^[7]

フィンランド科学アカデミーは2007年から電気帆の開発に資金提供を行っている。^[8]

この技術をテストするため、欧州連合（EU）が支援する新たな電気帆研究プロジェクトが2010年12月にFMIによって発表された。^[9] EUの資金拠出額は170万ユーロであった。その目標は主要コンポーネントの実験室プロトタイプを構築することであり、5つの欧州諸国が関与し、2013年11月に終了した。 ^[10] EUの評価では、このプロジェクトはそのカテゴリーで最高点を獲得した。^{[11] [12]}エストニアの超小型衛星ESTCube-1 （2013-2015）で低地球軌道上で電気帆の動作原理をテストする試みがなされたが、技術的な障害があり、この試みは失敗に終わった。帆を広げるために使用された圧電モーターがリールを回転させることに失敗した。その後の地上テストで、失敗の原因として考えられるのはスリップリングの接触であり、打ち上げ時の振動によって物理的に損傷した可能性が高いことが判明した。

ヤンフネン氏を含む国際研究チームは、2015年のNIACフェーズIIの募集を通じて、NASAマーシャル宇宙飛行センターでのさらなる開発のための資金提供を受けた。^{[2] [13]}彼らの研究プロジェクトは、「ヘリオポーズ静電高速輸送システム」（HERTS）と呼ばれている。^{[2] [14]ヘリオポーズ静電高速輸送システム（HERTS）のコンセプトは現在テスト中である。HERTSの場合、100}天文単位（150億キロメートル）を超える旅をするのに10年から15年しかかからないかもしれない。HERTSのコンセプトでは、回転する宇宙船から、長さ20キロメートルほど、厚さ1ミリメートルの正に帯電したワイヤが複数延長される。

2017年6月に打ち上げられた新しい衛星^{[15] [16]、現在軌道上にある}フィンランドの Aalto-1 ナノ衛星は、2019年に軌道離脱のための電気セイルのテストを行う予定です。^{[17] [18] [19] [20] [21]}

2017年、フィンランド科学アカデミーは、ヤンフネンと大学のメンバーを含むチームに、持続可能な空間の研究におけるフィンランドの卓越研究センターを設立するための2018年から2025年までのセンターオブエクセレンス資金を提供しました。^{[22] [23]}

地球を周回する衛星のほとんどは地球の磁気圏内にあります。しかし、太陽風は惑星の磁気圏内には侵入せず、より遅いプラズマの流れと磁場しか通らないため、電気帆は惑星の磁気圏内では使用できません。^{[24]代わりに、惑星の}磁気圏内では、電気帆はブレーキとして機能し、衛星の軌道離脱を可能にします。^[25]

他のソーラーセイル技術と同様に、帆を傾けることで推力方向を適度に変化させることはできるが、推力ベクトルは常に太陽から多かれ少なかれ放射状に外側を向いている。最大操作傾斜は60°で、外側放射方向から30°の推力角度となると推定されている^{[誰が？ ]}。しかし、船の帆と同様に、軌道を変えるためにタッキングを使用することができる。太陽に近づく恒星間船は、太陽風の流れをブレーキに利用する可能性がある。^[25]

• 小型または中程度のペイロードを搭載し、太陽系および太陽圏から50 km/s [110,000 mph; 180,000 km/h]または10  AU [0.00016光年; 4.8 × 10 ^{−5パーセク]を超える高速ミッション}
• レーザー光帆などの他の手段によって高速に加速された小型星間探査機のブレーキとして^[26]
• 太陽をより近い距離から観測するための内向きスパイラルミッション
• 小惑星などの太陽系内天体への双方向ミッション
• 1時間より長い警告時間で宇宙天気を予測するためのラグランジュ点外太陽風監視宇宙船

ヤンフネンらは、電気帆で動く天王星探査ミッションを提案している。このミッションは、以前のガリレオ宇宙探査機が木星に到着するのに要した時間とほぼ同じ時間、つ​​まり4分の1強の距離で目的地に到着できる可能性がある。ガリレオは木星に到達するのに6年かかり、費用は16億ドルだった。一方、カッシーニ・ホイヘンスは土星に到達するのに7年かかり、費用もほぼ同じだった。帆は540ワットを消費し、約0.5ニュートンを生み出し、宇宙船を約1 mm/s ²加速すると予想される。宇宙船は、打ち上げから6年後に天王星に到着するまでに約20 km/s（45,000 mph、72,000 km/h）の速度に達するだろう。 ^{[3] [27]}欠点は、電気セイルをブレーキとして使用できないため、機体は20 km/s（45,000 mph、72,000 km/h）の速度で到着し、フライバイまたは大気圏突入ミッションのミッションに限定されることです。ブレーキをかけるには、従来の化学ロケットが必要になります。

提案された宇宙船は3つの部分から構成されています。太陽電池パネルとワイヤーを収納するリールを備えたEセイルモジュール、途中および目的地での軌道調整用の化学スラスタと通信機器を含む本体、そして天王星の大気圏に突入して本体経由で地球に中継するための測定を行う研究モジュールです。 ^[3]

• 電気力学的テザー
• 磁気帆

• ヘリオポーズ静電高速輸送システム
• FMIの公式E-sailページ
• オリジナルの科学出版物のリスト
• フィンランド気象研究所/宇宙研究
• 「電気太陽風帆が太陽系における将来の宇宙旅行の動力となる可能性」ScienceDaily 2008-04-17 2008-10-15閲覧。