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IKAROS / SOLAR POWER SAIL

ソーラー電力セイル「IKAROS」の旅路

IKAROS(イカロス)は、太陽の光が当たるときの小さな圧力を、薄い膜の帆で受けて進む「ソーラーセイル」を、世界で初めて宇宙で実際に動かした実証機です。2010年5月に金星探査機「あかつき」と同じロケットで打ち上げられ、一辺14mの帆を広げて金星のそばまで飛びました。帆には薄い太陽電池も貼られていて、帆で進みながら発電もする「ソーラー電力セイル」の考え方を確かめました。

打ち上げ 2010-05-21 06:58 JST ロケット H-IIA 17号機 質量 約310 kg 帆 一辺14m・厚さ7.5µm

金星へ、そして太陽のまわりへ

ORBIT

太陽を上から見た図です。赤い線がIKAROSの航路、点線が地球と金星の軌道です。打ち上げから約200日で金星のそばを通り、そのあとは太陽を約10か月で回る軌道を飛び続けました。2011年12月より後は、ときどき届いた電波の記録しかないので、軌道は計算による推定です。

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IKAROSの航路
位置は概算 · 帆の加速は簡略化 · 2012年以降は推定

光で進む帆

SAIL

帆は、厚さ7.5µm(髪の毛の太さの約10分の1)のポリイミドという樹脂の膜です。一辺14mの正方形で、対角は20mあります。本体を毎分20回以上回転させ、四隅のおもりの遠心力で、折りたたんだ帆を少しずつ引き出して広げました。帆の骨組みはなく、回転の遠心力だけで平らに張っています。

対角 20m 一辺14m おもり 0.5kg ■ 薄膜太陽電池 ■ 液晶デバイス(反射を変える) ● 本体 5m
縮尺どおりの模式図です。薄膜太陽電池と液晶デバイスの位置と大きさはおおよそです。
2010年できごと
5月21日打ち上げ。毎分5回転で回りながらロケットから離れる
5月26日帆の四隅のおもり(各0.5kg)を切り離す
5月27〜29日毎分25回転まで回転を上げる
6月2〜8日1次展開。帆が十字形に約15mまで広がる
6月9〜10日2次展開で帆が広がりきり(約20m)、薄膜太陽電池の発電を確認
6月15日・28日切り離した小さなカメラ(直径約6cm)で、広がった帆と液晶の動きを撮影
7月9日太陽の光の圧力による加速を確認(1.12mN)
7月13日液晶の反射を切り替えて、燃料を使わずに向きを変える
1.12mN帆が受けた力。1円玉の重さの約9分の1
約0.3m/s1日あたりに増える速さ(310kgとして計算)
約100m/s2010年11月までに帆で変えた速さ(JAXA)
約400m/s2013年8月までの合計

IKAROSの旅

TIMELINE

  1. あかつきと一緒に打ち上げ

    種子島宇宙センターから、金星探査機「あかつき」の相乗りとして、H-IIAロケット17号機で打ち上げられました。

  2. 帆が広がりきる

    約1週間かけて帆を広げ、帆に貼った薄膜太陽電池で発電できることを確かめました。これで最低限の目標(ミニマムサクセス)を達成しました。

  3. 光で加速し、液晶で向きを変える

    電波のドップラー効果から、帆が太陽の光の圧力で加速していることを確かめました。続いて、帆の縁の液晶の反射を切り替えて、燃料を使わずに向きを変えることにも成功しました。

  4. 金星のそばを通過

    金星から約8万800kmのところを通過しました。前の日には、あかつきが金星を回る軌道への投入に挑戦していました。予定の半年の運用を終え、延長運用に入りました。

  5. 燃料が尽き、冬眠へ

    姿勢を変える燃料がほぼなくなり、帆に日が当たらない時期は電力が足りなくなりました。電力が足りるときだけ目覚め、ほかは眠る「冬眠」をくり返すようになります。

  6. 冬眠からの目覚め

    軌道と姿勢の動きを予測して探し、目覚めたIKAROSの電波を受信しました。2014年5月には地球から約2億3000万km離れていました。

  7. 4回目の目覚めと、最後の電波

    4回目の目覚めでは地球から約1億2000万km。5月21日に、地球から約1億1000万km、太陽から約1億3000万kmで受けた電波が最後になりました。5回目の冬眠に入ったあと、電波は届いていません。

  8. 運用の終了

    電波が届く見込みがきわめて小さいとして、JAXAは捜索を終え、約15年の運用を終えました。

ソーラーセイルのしくみ

HOW
01

光にも押す力がある

光は、ものに当たって跳ね返るときに、わずかに押す力を生みます。地球の近くで太陽の光を1m²で受けても、力は100万分の9N(ニュートン)ほどです。帆を大きく軽くすれば、燃料を使わずに加速し続けられます。

02

帆の向きで進み方を変える

ヨットが帆の向きで進む方向を変えるように、光を受ける帆の傾きを変えると、押される向きが変わります。IKAROSは、帆の縁の液晶の反射の強さを変えて、燃料を使わずに帆の向きを変えました。

03

帆で発電する

太陽から遠い木星のあたりでは、光の力も電力も小さくなります。帆一面に薄い太陽電池を貼り、その電力でイオンエンジンを動かす「ソーラー電力セイル」は、遠くへ行くための日本独自の考え方です。IKAROSの経験は、帆の技術や薄膜太陽電池の後継の計画に引き継がれています。

一緒に打ち上げられた金星探査機は金星探査機「あかつき」の旅路で紹介しています。太陽の光の圧力は、はやぶさ2#の姿勢を保つのにも使われています。

この記事の計算

METHOD
金星まで
打ち上げ(2010年5月20日21時58分22秒 世界時)から金星の通過(12月8日7時39分 世界時)までを、エンジンも帆も使わない軌道(ランベール問題の解)でつなぎました。 地球に対する速さは秒速4.29km、金星に対する速さは秒速3.32km
金星の通過
金星の中心から8万800kmを通過したとして、金星の重力で約31°曲がる形にしています。 「金星から約8万800km」を中心からの距離と読んでいます
通過後の軌道
金星のどちら側を通ったかは発表されていないため、金星の重力で曲がる向きと、帆による加速の代わりの「進む向きにかかる一定の小さな加速度」(0.0000008m/s²)を、JAXAが発表した距離にいちばん合うように選びました。 計算: 2014年5月22日 地球から2億2400万km(発表 約2億3000万km)、2015年4月23日 1億2400万km(約1億2000万km)、5月21日 1億700万km・太陽から1億3300万km(約1億1000万km・約1億3000万km)。太陽を約311〜314日で回る軌道
含めていないもの
金星までの帆の加速、帆の向きの変化、惑星の重力による乱れ 実際の帆による速度の変化は、2010年11月までに約100m/s、2013年8月までに約400m/s(向きを変えながらの合計)

諸元

SPECIFICATIONS
名称
小型ソーラー電力セイル実証機「IKAROS」 Interplanetary Kite-craft Accelerated by Radiation Of the Sun
打ち上げ
2010年5月21日 6時58分22秒(日本時間) 種子島宇宙センター、H-IIAロケット17号機(あかつきと相乗り)
質量
約310kg 帆と四隅のおもりを含む
帆
一辺14mの正方形(対角20m)、厚さ7.5µmのポリイミド膜 薄膜太陽電池(厚さ25µm)、液晶デバイス80枚、ダストの検出器を搭載
観測
ガンマ線バースト偏光検出器 GAP、ダスト計数器 ALADDIN
運用
2010年5月〜2025年5月 最後の電波の受信は2015年5月21日

出典

SOURCES

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