Micro Solar Power Sail
当研究室を中心とした、東京科学大学、JAXA宇宙科学研究所および他大学の研究者からなる「超小型ソーラー電力セイルの開発研究」リサーチグループ（RG）による超小型ソーラー電力セイルプロジェクトについて紹介します。
ソーラー電力セイルとは？
物体に太陽光が当たることで生じる力（太陽光に押される力）を太陽輻射圧と呼びます。1 m四方の鏡に垂直に太陽光が入射した場合、その鏡全体にはたらく力は10 μN弱（1 mg弱の物体にはたらく重力と同程度）と非常に小さく、地上ではそれを実感することはありません。しかし宇宙空間で反射率が高い大きな帆（セイル）を広げれば、長い時間をかけて加速し、軌道変更することができます。この原理を積極的に利用して推進する宇宙機をソーラーセイルと呼びます。一般的な宇宙機は軌道変更（制御）する際には推進剤を消費してガスを噴射する必要があるため、どれだけの時間、どれだけの加速量だけ軌道変更できるかは推進剤の搭載量によって決まります。宇宙空間で推進剤を補給することは（現時点では）できないため、枯渇してしまうとそれ以上の軌道制御を伴うミッションはできません。一方ソーラーセイルは推進剤を消費しない（推進剤フリーである）ため、うまく利用すれば原理的にはいつまでも軌道制御し続けられることになり、様々な宇宙探査ミッションに有効であるといえます。ソーラーセイルのコンセプトは100年以上前に提案されていますが、それを惑星間空間で世界で初めて実証したのが2010年に打ち上げられたJAXAのIKAROSです。最近ではLightSail-2（2019年打ち上げ）、NEA Scout（2022年打ち上げ）、ACS3（検討中）、Solar Cruiser（検討中）など、多くの海外のソーラーセイルミッションが後に続いています。
セイル上にその面積を活かし多くの薄膜太陽電池をすれば、一般的な宇宙機と比べて遥かに大きな電力を得ることができます。さらにこの電力を利用すれば、高効率な（燃費が良い）電気推進（イオンスラスタなど）を使用できるようになります。このように太陽輻射圧と電気推進の推力を併用して軌道制御を行う宇宙機をソーラー「電力」セイルと呼びます。日本独自の、ソーラーセイルの上位のコンセプトです。推進剤フリーなソーラーセイルと比較的推力が大きい電気推進を組み合わせることで、どちらか一方だけでは設計できない軌道を利用した、より高度なミッションが実現可能になります。以前はJAXA宇宙科学研究所にて、IKAROSの技術を大幅に発展させたソーラー電力セイルOKEANOSによる木星トロヤ群小惑星探査ミッションが検討されていましたが、残念ながら採択されず、実現には至りませんでした（チームは2022年に解散）。しかしOKEANOSの検討の中で培われた様々な探査技術は幅広く有用であり、それらは現在他の複数のミッションに応用されようとしています。特に太陽輻射圧（および電気推進）を用いた航行技術（ソーラー電力セイルの根幹となる技術）は、本プロジェクトの中で発展させようとしています。
本プロジェクトが目指すもの
本プロジェクトの元となる研究会は、IKAROS、OKEANOSに関係する研究者を中心に2020年春に開始しました。まず、東京工業大学で技術が発展してきた超小型衛星（宇宙機）にソーラー電力セイルを搭載すれば何ができるだろうか？という問いをテーマに、自由なミッション検討を始めました。この背景には、OKEANOSのミッションを長らく検討してきたにも関わらず実現できなかったことから、低コストで短期開発が可能な超小型宇宙機でソーラー電力セイルの（これまでにできていない）航行技術実証を早くやってしまいたい、という思いがあります。実はIKAROSのミッションでは太陽輻射圧による加速は確認しているものの、それを自在に操り狙った目的地に行くという技術は獲得できていません。これ（太陽輻射圧のみを利用する純粋なソーラーセイルの適切な誘導制御を伴う航行）ができるためには新たな姿勢制御手法などが必要になりますし、電気推進を併用するソーラー電力セイルの航行には、加えて推進系そのものの技術発展なども必要になります。しかしこの航行技術こそがソーラー電力セイルの根幹であり、これを初めに宇宙で実証をすることが重要と考えています。これが本プロジェクトの大目的の一つです。
超小型宇宙機とソーラー電力セイルの組み合わせには、早期技術実証に適していること以外にもメリットがあります。まず超小型宇宙機は搭載できる推進剤の量が非常に少ないため、一般的には厳しいΔV（加速量）の制約の下でミッションを考えなければなりませんが、ソーラー電力セイルを搭載すれば推進性能が大幅に向上し、設計し得るミッションの幅を大きく拡げることができます。また光子加速の大きさは宇宙機の質量に対するセイル面積の比に比例するため、軽量である超小型宇宙機とは相性が良いといえます。つまり超小型ソーラー電力セイルが実現すれば、将来の発展的な（より大きな宇宙機を含む）ソーラー電力セイルによる宇宙探査ミッションへの応用に向けた早期技術実証ができるだけでなく，超小型宇宙機の宇宙探査能力を効果的に底上げすることになるのです。本プロジェクトのもう一つの大目的は、ソーラー電力セイルの技術により超小型宇宙機を用いた高度な（これまでの超小型宇宙機では実現できなかった）宇宙探査を実現することです。例えば少ない推進剤で目的地（軌道）に到達し、そこに非常に長期間滞在するミッションや、より地球から離れた遠い目的地を探査するミッションなどが考えられます。具体的にどのようなミッションができるかは打ち上げ条件（ロケットの性能など）に大きく依存しますが、どのような条件下であってもそこでソーラー電力セイルならではのミッションができると考えています。
現在の活動状況
ある代表的なミッションを想定した宇宙機のシステム設計検討を行った結果から、現状では超小型ソーラー電力セイルはおおよそ（実際はミッションによりますが）30 kg程度以上の質量、セイルのサイズは約5 m四方程度になると見込んでいます。おおよそこれぐらいのシステムを前提条件とし、現在RGでは（A）ソーラー電力セイルの特長を活かしたミッション検討（軌道設計）、（B）キー技術の研究開発などに取り組んでいます。（A）について、当研究室では現在太陽-地球-月系におけるミッションを中心に検討しています（RESEARCHもご覧ください）。例えば、ソーラー電力セイルを用いた月遷移軌道から月周回軌道への投入軌道の設計や月周回軌道維持制御に関する検討（現在も実施中）結果から、通常の宇宙機と比べて月周回軌道へのアクセス性や長期間滞在を行う能力が飛躍的に向上することが分かっています。つまりこうしたミッションが実現できれば、太陽-地球-月系の力学場における航行技術の実証に加え、より高性能な超小型月探査機が実現できることになります。また（B）について、当研究室では姿勢・軌道統合制御系の研究開発（こちらについても、RESEARCHも併せてご覧ください）に取り組んでいます。姿勢・軌道統合制御はソーラー電力セイルが「狙った目的地に行く」ための最重要技術の一つです。なお同じくキー技術であるセイル構造系の研究開発については，宮崎研究室（JAXA宇宙科学研究所）を中心に取り組んでいます。
他にも、RGの活動としてミッション実現のための打ち上げ機会の調査を行っています。近年、地球周回低軌道向けの超小型宇宙機の打ち上げ機会は飛躍的に増えてきていますが、もともと本プロジェクトが目指している（ソーラー電力セイルが探査を行う舞台である）深宇宙に到達できる打ち上げ機会となると、依然として多くはなく、獲得は簡単ではありません。こうした情勢を鑑み、最近では地球周回軌道での技術実証（深宇宙での技術実証の前の技術実証）を行うことも視野に入れ、検討の範囲を広げています。地球周回軌道では深宇宙とは姿勢・軌道力学の特性が大きく異なるため、全ての技術が共通というわけではありませんが、それでもそこでの技術実証は非常に有用です。これに向け、地球周回軌道でのソーラーセイルの姿勢・軌道統合制御やその有用性に関する検討も始めています。
ERATO
片岡ラインX線ガンマ線イメージングプロジェクトに、宇宙・大気物理グループの一員（超小型衛星開発担当）として参画しています（詳細は更新中）。
Micro Satellite Projects
他にも、旧松永・中条研究室の体制で、可変形状姿勢制御実証衛星ひばり、うみつばめ（Project PETREL）に参画しています。詳細は各リンク先をご覧ください。