YBCO（イットリウム系銅酸化物）は、臨界温度である92 K（-181°C）以下に冷却すると電気抵抗がゼロになる、画期的な高温超電導材料です。宇宙推進の分野において、YBCOは磁気プラズマダイナミック・スラスター（MPDT）内の従来の銅製電磁コイルを代替するために利用され、プラズマを極限の速度まで加速する「宇宙電磁砲」を作り出します。高温超電導を活用することで、研究者はエネルギー損失を実質ゼロに抑えながら推進に必要な強力な磁場を生成でき、エンジンの重量と消費電力の両方を劇的に削減することが可能になります。
効率的な推進システムの開発は、長らく小型衛星の普及と深宇宙探査における最大のボトルネックとなってきました。従来の化学ロケットは極めて効率が悪く、初期打ち上げ質量の90%以上を燃料だけに費やすことが珍しくありません。「宇宙の電気自動車」とも称される電気推進は、電気エネルギーを用いて荷電粒子を加速させることで、よりクリーンで効率的な代替案を提供しますが、従来の磁気プラズマダイナミック・スラスターは、小型の宇宙機に搭載するにはあまりに巨大で電力を消費しすぎるという歴史的課題がありました。しかし、2026年2月22日にNational Science Review誌に掲載された画期的な研究は、この技術におけるパラダイムシフトを明らかにしています。
従来の220 kgに対し、なぜHTSスラスターはわずか60 kgしかないのか？
高温超電導（HTS）スラスターが73%という大幅な軽量化を実現できたのは、YBCO超電導テープが従来の銅よりも著しく高い電流密度を保持でき、磁気コイルを大幅に小型化できるためです。抵抗熱を管理するために必要だった膨大な銅の巻線や重い冷却構造を排除することで、中国科学院の研究チームはシステム全体の質量を220 kgからわずか60 kgに削減することに成功しました。この軽量設計により、以前は低推力オプションに限定されていた小型衛星プラットフォームへの高出力推進器の統合が可能になります。
高温超電導により、エンジニアは従来の電磁システムを悩ませてきたオームの法則の物理的限界を回避できます。標準的なMPDTでは、銅製コイルが電気抵抗により膨大な廃棄熱を発生させるため、システムの溶解を防ぐために重い遮蔽体や巨大な放熱ユニットが必要でした。合肥物質科学研究院プラズマ物理研究所のJinxing Zheng教授率いる研究チームは、YBCOに切り替えることでこの抵抗加熱を排除し、磁場強度を犠牲にすることなく磁気アセンブリ全体の小型化を実現しました。
質量の削減は、宇宙飛行の経済性に深刻な影響を及ぼします。宇宙機に追加される1キログラムごとに打ち上げコストが増加し、科学機器に割けるペイロードが減少します。220 kgのユニットと同等の性能を提供する60 kgのスラスターは、ミッション設計者が打ち上げコストを削減するか、あるいはより高度なセンサー、カメラ、通信アレイを搭載することを可能にし、軌道上に打ち上げられるあらゆるミッションの「科学的投資収益率」を効果的に向上させます。
スラスターの超電導体にとって、-196°Cの液体窒素冷却の利点とは何か？
液体窒素を用いてHTSスラスターを-196°Cまで冷却することの利点は、窒素の沸点以上でYBCO超電導体を使用できる点にあります。これは液体ヘリウムを使用するよりもはるかにコスト効率が高く、管理も容易です。この温度域では、最小限のエネルギー投入で超電導状態を維持でき、磁場生成に必要な励磁電力を285 kWから1 kW未満へと激減させることができます。この99%の消費電力削減により、太陽光発電衛星でも高性能な推進が可能になります。
液体窒素温度での運用は、過酷な宇宙環境で動作する宇宙機にとって重要な熱的バッファを提供します。従来の低温超電導体は絶対零度付近（4 K）までの冷却が必要であり、高価な液体ヘリウムを満たした複雑で重いクライオスタットを必要としました。高温超電導を利用することで、研究チームは、断熱や補充が容易なシンプルな液体窒素システムでも、YBCOが機能するために必要な環境を維持できることを実証しました。この熱効率こそが、励磁電力を小規模コミュニティの電力使用量に匹敵するレベルから、一般的な家電製品並みのレベルまで引き下げた要因です。
研究チームは、この熱管理戦略がスラスターの性能を損なわないことを実証しました。実際、-196°Cで安定した超電導状態を維持することで、スラスターは強力で一貫した磁場を維持できます。この安定性はプラズマの定常的な加速に不可欠であり、火星や太陽系外縁部へのミッションなど、惑星間航行に必要な長時間の噴射において「宇宙電磁砲」が信頼性高く機能することを保証します。
推進性能と比推力
推進システムの効率は、消費される推進剤の単位量あたりにどれだけの推力が得られるかを示す指標である比推力によって測定されます。新しいHTSスラスターは、12キロワットの電力入力で3,265秒という驚異的な比推力を達成しました。参考までに、これは通常300秒前後である従来の化学ロケットの比推力の10倍以上に相当します。つまり、HTSスラスターは化学ロケットと同じ速度変化を、わずか数分の一の燃料で達成できることになります。
- 比推力：3,265秒（化学ロケットの300秒に対し）
- 入力電力：12 kW（深宇宙航行に適した高効率）
- 電力削減：磁石励磁において285 kWから1 kW未満へ
- 重量削減：220 kgから60 kgへ
この効率の飛躍的向上は、推進剤の質量比の問題に直接対応するものです。HTSスラスターは非常に効率的であるため、宇宙機は目的地に到達するために運ぶ燃料を大幅に減らすことができます。この「軽量負荷」の哲学により、航行時間の短縮が可能になり、以前は燃料の制約で不可能だった複雑な軌道操作も実行できるようになります。SmallSats（小型衛星）にとって、この技術は地球軌道を脱出し、かつてない精度で深宇宙の標的に向かって推進させるための「心臓部」を提供します。
予測精度：電磁流体力学モデル
物理的なハードウェアに加え、Zheng教授のチームはスラスターの動作を制御する包括的な分析的電磁流体力学（MHD）モデルを確立しました。この理論的枠組みは、磁場強度、質量流量、および推力性能の間の複雑な相互作用を正確に記述します。このモデルを確立したことで、研究者は将来の技術反復のためのロードマップを提示し、他の科学者がスケールや電力入力の変化がエンジンの出力にどのように影響するかを予測することを可能にしました。
MHDモデルは厳格な実験テストを通じて検証され、予測データと観測データの間に高い相関関係があることが示されました。この検証は、チームが高温超電導の基礎物理をプラズマ環境下で理解していることを証明するものであり、研究の「E-E-A-T」（経験、専門性、権威性、信頼性）における重要なステップです。検証済みの数学モデルを持つことで、将来の宇宙機の設計プロセスが合理化され、高価な試行錯誤のテストの必要性が減り、実ミッションへのHTSスラスターの導入が加速されます。
このモデリングは、スラスターが異なる種類の推進剤をどのように処理するかも探求しています。プラズマの流体力学を微視的レベルで理解することで、チームはガスの噴射を最適化し、最大限の加速を確保できます。高精度なモデリングと成功したハードウェア実証の組み合わせは、過去10年間の電気推進における最も重要な進歩の一つであり、重く電力を消費する銅ベースの磁気プラズマダイナミック・システムの時代を終わらせる可能性があります。
未来へのスケールアップ：小型衛星から深宇宙へ
航空宇宙産業へのHTSスラスターの統合は、高エネルギー効率推進の新時代の始まりを告げるものです。民間宇宙部門が成長を続ける中、SmallSats向けの費用対効果が高く高性能なエンジンの需要は高まる一方です。中国によるこのブレイクスルーは、推進における重大なボトルネックを解決し、月面、小惑星、さらにはその先への持続可能で手頃な探査への道を提供します。重重量級のスラスターのように機能する60 kgのエンジンを打ち上げられる能力は、2030年代のミッション・アーキテクチャを再定義することになるでしょう。
将来に向けて、研究チームは冷却システムをさらに改良し、数年にわたるミッションにおいてスラスターの運用寿命を延ばすことを目指しています。今後の改良では、さらに高温の超電導体や、深宇宙の自然な冷気を利用できるより統合されたクライオクーリング・ソリューションが探求される可能性があります。高温超電導が成熟し続けるにつれ、それはあらゆる高出力電気推進の標準となる見通しであり、エンジンの重量や燃料の限界によって星々がもはや手の届かない存在ではない時代の到来を告げています。
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