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中大×JAXAが高効率なロケット燃料の製造技術を開発!ヒントは大腸の動き

ロケット用固体燃料の製造・自動搬送の実現に向けた第一歩

“宇宙時代”の到来に向けて、世界各国で過熱しているのが低コストで打ち上げ可能なロケットの開発競争だ。その実現もしくはなりうるには、ロケットの打ち上げ・飛行を続けるエネルギー源となる固体燃料が一つの鍵になるといわれている。固体燃料の持つ課題を克服し、新たな時代の到来を予感させる革新技術を実現した中央大学と宇宙航空研究開発機構(以下、JAXA)の最新研究をご紹介する。

固体燃料の製造に立ちふさがる高いコストの壁

中央大学とJAXAによる共同研究グループは、固体燃料ロケット用にエネルギー効率よくロケット用固体燃料を製造して運ぶ新たな技術を共同で開発。混合および地上での燃焼試験に世界で初めて成功したと3月16日に発表した。

共同記者会見を行う中央大学理工学部 精密機械工学科 中村太郎教授(上)とJAXA 宇宙飛翔工学研究系 羽生宏人准教授(写真下)

民間企業も開発に参入するなど、新たな宇宙ビジネスが注目される昨今。衛星を活用したサービスの拡充や、一昔前であればSFの物語であった宇宙旅行も現実味を帯びてきている。

そのために必須となるのが低コストで打ち上げることができるロケットの開発だ。現在、組み立てや点検などの運用を効率化して低コスト化を目指す、コンパクトな打ち上げシステムを構築した「イプシロンロケット」の開発が進められているのもそのためだ。

2018年1月18日に内之浦宇宙空間観測所(鹿児島県肝付町)からJAXAによって打ち上げられたイプシロンロケット3号機

画像提供:JAXA

しかし、ロケットの打ち上げ費用が高額になる理由の一つとして、機体重量の大半を占めるロケット用の固体燃料が挙げられている。しかも燃料生成のプロセスが原因となるため、イプシロンロケットも同様の課題を有しているのが現状だ。

現在使用されている固体燃料は、金属のブレードを金属ボールの中で回転させる「プラネタリミキサ」という機械を用いて、粘性の強い材料をかき混ぜて製造している。加えて、混練(こんれん:よく混ぜ練り合わせること)と注型(ちゅうがた:型に流し込むこと)を繰り返すバッチ方式が採用されているが、各工程の材料搬送は通常のポンプでは送り出せないため、注型は人力によって行われている。

この製造方法では燃料への信頼性が担保される代わりに、製造装置の維持管理や工程管理にコストがかかる。かつ、火薬類製造という特殊性も相まって、新たな製造手法の検討が進みにくいのが現状だ。

いかにして信頼性を確保し、技術革新を行うか──。

そこには研究者にとって大きな壁が存在した。

テレビ番組をきっかけに“人工筋肉”に着想

新技術誕生のきっかけとなったのは、テレビで見たとある料理番組だった。ビニール袋の中で材料に味付けをする工程がヒントとなり、“もみほぐして混ぜる”という発想をひらめいた。

その実現のために、人間の大腸などで行われる筋肉の収縮波を伴い、うごめくように食べた物を搬送する蠕動(ぜんどう)運動に注目した。腸の蠕動運動では、搬送する過程で固体と水を混ぜ合わせるのだが、まさにこの動きの再現を狙った。そして完成したのが「蠕動運動型混合搬送装置」だ。

「蠕動運動型混合搬送装置」で用いる人工筋肉には、中央大学・中村研究室が独自開発した「軸方向繊維強化型人工筋肉」を採用。非金属の柔らかいソフトアクチュエーター(作動装置)で構成されるのがポイント


過去に公開された関連する動画(提供:中央大学)

中央大学・中村研究室が開発した軸方向繊維強化型人工筋肉を用いたポンプを使い、人の大腸の蠕動運動を模した柔らかい動きによって、材料を混合し搬送する技術。扱いが難しいロケット用固体燃料の推進剤を効率よく製造し、なおかつ安全な搬送を可能にした。

同装置はゴム製の二重円筒構造を持つ複数のユニットを直列に配した、ごくシンプルな構造。

原料の搬送と混合工程を同時に行うことができるため、連続稼働による燃料の製造が可能になった。つまり、工程数の多いバッチ方式に変わり、連続で製造できる装置が完成したことで低コスト化を実現したというわけだ。

また、燃料が接する場所は全てゴムなどの非金属の物質を採用しているため、発火の恐れも低減するなど安全面にも抜かりはない。しかも、駆動は人が息を吹きかける程度の空気圧でOKのため電源すら必要ないという。

公開された模擬材料を使った燃料製造手法の様子

2月23日には、同装置を使って製造された固体燃料を試験用のロケットモーターに搭載して地上燃焼試験を実施。ロケット用固体燃料として、従来の方式で製造される固体燃料と同等の性能であることが確認され、十分実用可能レベルに達していることを証明した。

今後は、実用化に向けてさらなる効率化と大型化を狙うのと同時に、同装置の技術を食品やセメント、石油プラントや汚泥搬送などへの応用を目指していくという。

現在、日本ではJAXAが年間に1台は何かしらのロケットを打ち上げている。しかし、今後想定されている宇宙時代が到来すれば、ロケットの打ち上げはさらに日常的になり、各企業などがサービスを展開することで、宇宙をより身近に感じられるだろう。

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