水を燃料にした「水エンジン」で持続可能な宇宙開発を～東大発スタートアップ―Pale Blue

2022.05.02

ここ数年、各国で宇宙開発に向けた動きが加速している。月や火星探査をめぐる動きでは、米国・NASAが中心となり進められている有人月面探査プログラム「アルテミス計画」に各国の研究機関が参加を表明した他、2021年には中国が2033年に有人火星探査を実施すると発表した。こうした国レベルの事業だけではなく、宇宙空間を利用して新たなビジネスを目論むスタートアップも続々と誕生しており“宇宙ビジネス”は活況を呈している。

宇宙開発への期待が高まる一方で、課題も多く存在している。そのひとつが、小型人工衛星が宇宙空間で移動するための「推進機」（エンジン）の開発だ。

一般に小型人工衛星の推進機は、燃料となる推進剤を加熱し、宇宙空間に放出することで推力を得る仕組みとなっている。しかし既存の推進機では、推進剤に希少ガスや毒性の強い物質が用いられており、安全性やコスト、持続可能性の面で問題があるとされている。

そんな中で、水を推進剤とする「水エンジン」を開発することで、安全かつ低コスト、持続可能性が高い推進システムを実現しようとする東京大学発の宇宙スタートアップがある。それが2020年創業の株式会社Pale Blue（ペールブルー　本社：千葉県柏市）だと、最先端テクノロジーに関するメディアHAUSは22年2月15日紹介している。

Pale Blueの共同創業者兼代表取締役の浅川純氏に「水エンジン」の特徴や事業の展望を聞いた。

水を推進剤として使うことのメリット

浅川氏によると、現在推進剤として多く使われるキセノンやクリプトンといったガスは、推進性能が高いが産出量が少ないため、入手費用が上がり、継続して使い続けるのが難しい。また、近年米国の宇宙スタートアップなどが使い始めているヨウ素も、推進性能は高く、宇宙空間に固体で運べるため圧縮容器が不要になるなどの利点はあるものの、「人体には有毒で安全面で問題がある」という。

こうした既存の推進剤に比べて、水は安全性が高く、地球上に豊富に存在するため利用コストが抑えられ、持続可能性も高い。「つまり、次世代の推進機（剤）に求められる、安全、低コスト、持続可能性という要素を全て満たす（現時点での）唯一の物質になる」と浅川氏は強調する。

宇宙開発の将来

「月や火星で資源開発が行われる時代が来たときに、キセノンやクリプトンは現地で採ることができません。一方、水は月や火星に存在する可能性が高い。この点からも、水を推進剤にするメリットは大きいと考えられます」

現在Pale Blueでは、3タイプの「水エンジン」を開発している。そのひとつが、水蒸気を宇宙空間に噴射することで推進力を生成する「レジストジェットスラスタ（水蒸気推進）」だ。これは短時間に大きな推進力を生み出せるが、同社の他エンジンに比べやや燃費が落ちる。

2つ目の「イオンスラスタ（水プラズマ推進）」は、水蒸気にさらに熱を加え、プラズマ（※）にしたものを宇宙空間に噴出することで推進力を生む。燃費は良いが、推進力が小さい。※気体に熱を加えて、陽イオンと電子に分離させた高エネルギーな状態

3つ目が、上記２つを統合した「ハイブリッドスラスタ」だ。「人工衛星にはさまざまな大きさや質量のものがあり、さらにその動き方には、素早く大きく動きたいとか、燃費を抑えながらじわじわ動きたいとか、いろいろなニーズがあります。我々はそうした要望に幅広く、柔軟に応じられるよう3種類の水エンジンを提供しています」（浅川氏）

では同社はなぜこのような「水エンジン」を生み出すことができたのか。まず大きなアドバンテージとして、同社が「水エンジン」を長年研究している東京大学大学院新領域創成科学研究科小泉宏之准教授（Pale Blue 共同創業者兼CTO）の研究室メンバーによって設立されたスタートアップである点が挙げられる。

「私たちは東京大学で長年培われた研究技術を応用しており、一部は特許を取得しています」（浅川氏）。特に重要なのが、以下の2つの技術だという。

「ひとつ目が、水を20度から30度の低温で蒸発させる技術です。一般的に、水を蒸発させるには100度まで温度を上昇させることになります。しかし、水の温度を100度まで上げるには多くの電力や熱が必要です。人工衛星では使える電力が限られるため、こうした電力や熱の損失はできるだけ抑えなければいけません」

そこでポイントとなるのが、水の沸騰温度と気圧の関係だ。「例えば、富士山の頂上では100度じゃなくて、70度ほどで水が沸騰します。なぜなら周りの圧力（気圧）が地上よりも低くなっているからです。この原理を応用し、水の周りの圧力を下げることで、水の蒸発温度を下げることができます」

浅川氏らはこの考え方をもとに、推進機内に真空エリアを設けるなどの試行錯誤を重ね、低温（かつ低電力で）で水を蒸発させて推進力を生む「レジストジェットスラスタ（水蒸気推進）」を開発した。

もうひとつは、水プラズマ生成技術だ。人工衛星の推進機に、部品のさびを引き起こす水のプラズマ生成技術を採用することは難しい。しかしPale Blueでは、東京大学における水プラズマ生成研究の成果をもとに、酸化に強い独自のプラズマ生成技術を開発。これにより、世界でも類を見ない「イオンスラスタ（水プラズマ推進）」を生み出したという。

最後に長期的な展望を聞くと、「宇宙空間の輸送インフラを作りたい」と浅川氏は意気込みを語る。
「長期的には『水エンジン』を使ったサービス事業を展開したいと考えています。例えば、宇宙空間で何かを輸送したり、水を補給するガソリンスタンドのようなサービスを提供したり。そうした事業を展開しながら、宇宙における輸送インフラを構築していければと考えています」と話す。

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