地表からおよそ150〜300km（93〜186マイル）の上空の帯域では、大気は敵であると同時に答えでもある。放置すれば数週間のうちに衛星を軌道から引きずり下ろすほど密度が高いため、この高度帯で運用する者はほとんどいない。しかし、その薄い空気こそが燃料になり得る。大気の分子をかき集めて高速で噴射するエンジンがあれば、推進剤タンクを一切持たずに宇宙機をその高度に無期限に留めておける。スペインの新興企業Kreios Spaceは8月4日、まさにそれを実現するよう設計された世界初の衛星を開発中だと発表した。
大気吸込式電気推進と呼ばれるこの構想は、約10年にわたり地上の真空チャンバー内で試験されてきた。軌道上で飛行させた例はまだない。スペイン北西部のニグランに拠点を置くKreiosは、リトアニアの衛星バスメーカーであるKongsberg NanoAvionicsと提携し、世界初の実証を目指している。ミッションの打ち上げ時期は確定していない。同社は2027年を暫定目標に挙げており、SpaceNewsは2028年と報じているが、技術計画は具体的だ。NanoAvionicsのMP42バスに、受動式の大気取入口から推進剤が供給されるヘリコン型プラズマスラスタを搭載したおよそ200kgのマイクロ衛星を、約150〜300kmの高度で飛行させる計画である。
宇宙で呼吸するには
この高度での軌道速度はおよそ秒速7.8km（時速1万7400マイル）で、宇宙機は残留大気ガス、おもに分子状の窒素と酸素に激しく衝突する。約160kmより上空では原子状酸素が優勢になる。衛星の進行方向側の面に取り付けられたすくい形の取入口がそれらの分子の一部を捕らえ、バルブも可動部もなしにスラスタのチャンネルへ導く。そこでヘリコンアンテナからの高周波電力がガスを電離させ、電磁場が生じたプラズマを、入ってきたときよりはるかに速い速度で後方へ加速して噴出させる。
排気速度は軌道速度を上回るため、押し出すガスが抗力の原因となる媒質そのものから集めたものであっても、スラスタは正味の推力を生み出す。電力は太陽電池パネルが供給する。推進剤は無料で、無尽蔵で、軌道上のどこにでも存在する。衛星はハードウェアが生きている限り、毎秒、絶え間なく自己給油を続ける。
核心的な難題は、大気由来の推進剤が、電気推進で通常使われる希ガスより劣ることだ。キセノンは容易かつ効率よく電離するが、窒素と酸素は電離しにくく、回転励起や振動励起でエネルギーを浪費する。窒素で運転した同種のスラスタの地上測定では、推力がおよそ5.7mN、陽極効率が5.4%だったのに対し、キセノンでは12.6mN、26.3%を記録した。大気吸込式エンジンは、この不利に加えて取入口自身の抗力を克服し、なおかつ燃料を搭載するだけの場合より優位に立たなければならない。
10年にわたる地上での歩み
この分野の概念実証は、欧州宇宙機関（ESA）とイタリアのメーカーSITAELによるものだ。2018年3月、ESAは高度200kmの条件を再現した真空チャンバー内で、世界初となる大気吸込式電気スラスタの燃焼試験に成功したと発表した。ポーランド製の取入口を備えた二段式ホール効果スラスタは、まずキセノンで着火し、次に窒素と酸素の混合ガス、最後に大気推進剤のみでも作動した。エンジニアたちはガスが切り替わるにつれて噴流の色が青から紫へ変わるのを目にし、エンジンが空気だけで作動することを視覚的に確認した。RAM-EPシステムは技術成熟度レベル4に達し、実験室では検証されたが、宇宙では実証されていない。ESAの先代衛星GOCEは約250kmの高度を4年間飛行し、40kg（88ポンド）のキセノンを搭載せざるを得ず、その搭載量が制約となった。大気吸込式の後継機なら、その制約には直面しない。
Kreiosは2021年、最高経営責任者（CEO）のアドリアン・セナール氏と、カタルーニャ工科大学の航空宇宙工学を学んだ同級生5人によって設立された。同社は取入口とエンジンの真空試験を重ねつつ、K-1、K-2、K-3の3世代にわたってスラスタを開発し、2025年にはシード資金として800万ユーロ（約920万ドル）を調達した。
最も低い軌道に挑む価値
超低地球軌道は、他のどの高度でも得られない利点をもたらす。観測位置が低くなれば画像解像度は向上する。地面に近いほど、小型で安価な光学系でもより鮮明な画像が得られ、地球観測ではおよそ10cmの細部まで捉えられる可能性がある。通信の片道遅延は10ms未満に短縮され、静止軌道からの約300msとは対照的だ。放射線被曝量はより高い軌道より50〜80%低く、電子機器や将来の有人インフラにとって重要な意味を持つ。さらに衛星の寿命が尽きれば、大気抵抗によって数カ月以内に軌道から除去されるため、より高い高度を悩ませるデブリ問題を解決できる。
Kreiosは、推進剤の質量が打ち上げ予算から消えれば、これらの高度での継続運用のコストは高度500kmでの運用とほぼ同等になり得ると主張している。実証衛星はまた、商業ペイロードとしてサブメートル解像度の可視光・近赤外画像を撮影する計画だ。
残された課題
大気吸込式スラスタはまだ宇宙で運用された実績がなく、真空チャンバーから軌道上の現実への一歩は大きい。150〜300kmの大気は一定ではない。密度は太陽活動や時刻、緯度によって変化するため、取入口は絶えず変動する燃料供給に対処しなければならない。この帯域の上空側で優勢な原子状酸素は、宇宙機の材料に対して激しい腐食作用を及ぼす。そして取入口、スラスタ、電力、姿勢制御を含む統合システム全体が、実際の飛行条件のもとで一体として機能する必要がある。
競合も迫っている。中国の実験衛星2基がすでに300km未満の高度で運用されており、米国のViridian Space、ESA自身の推進研究所、インドのOrbitt Spaceといった開発企業も大気吸込式の構想に取り組んでいる。したがって「先駆者」という主張は、タイミングと定義の問題である。争いの余地がないのはその報酬だ。空そのものを燃料に変える推進システム、そしてそれとともに、これまで衛星が落下の途中で通り過ぎるだけだった高度域への恒久的なアクセスである。
雅子 訳
Sources:
- Space.com, “Exploring very low Earth orbit: The world’s 1st air-breathing satellite thruster could soon get a test run” (Aug 9, 2026): https://www.space.com/space-exploration/satellites/exploring-very-low-earth-orbit-the-worlds-1st-air-breathing-satellite-thruster-could-soon-get-a-test-run
- SpaceNews, “Kreios Space to fly VLEO demonstration in NanoAvionics bus” (Aug 4, 2026): https://spacenews.com/kreios-space-to-fly-vleo-demonstration-in-nanoavionics-bus/
- ESA, “World-first firing of air-breathing electric thruster” (2018): https://www.esa.int/Enabling_Support/Space_Engineering_Technology/World-first_firing_of_air-breathing_electric_thruster
- SITAEL, RAM-EP system test results: https://www.sitael.com/sitael-space-has-successfully-tested-ram-ep-system/
- Aviation Week, “Kreios Space plans air-breathing electric propulsion demo” (Aug 4, 2026): https://aviationweek.com/space/commercial-space/kreios-space-plans-air-breathing-electric-propulsion-demo
- CORDIS (EU), “New orbits are on the horizon with air-breathing engines”: https://cordis.europa.eu/article/id/451370-new-orbits-are-on-the-horizon-with-air-breathing-engines