Power MEMSとマイクロスラスタ
東北大学 田中秀治，江刺正喜
我々東北大学のグループでは近年，Power MEMS (micro-electromechanical system)の研究に力を入れている。
Power MEMSとは，電力，推力，熱などのパワーを発生するMEMSそのもの，あるいは小形パワー源に組み込まれる要素としてのMEMSのことである。Power MEMSの最も重要な応用は，携帯機器用の小形電源である。我々のグループは，燃料電池，燃料改質器，超小形ガスタービンなどを研究している。これらの小形パワー源の共通点は，化学燃料から電気または運動エネルギーを発生することである。一般的に，化学燃料に含まれる化学エネルギーは，同じ体積または重量の電池が発生する電気エネルギーより１-２桁程度大きい。したがって，化学燃料を用いる小形パワー源は，電池より高いエネルギー密度を実現したり，燃焼などの激しい化学反応によって，電池より高いパワー密度を実現したりできる可能性がある。また，２次電池は充電を必要とするのに対して，このような小形パワー源は，燃料容器の交換を繰り返せば，連続使用できる。さらに，燃料容器は電池と比較してリサイクルが容易である上，電池のように重金属等の有害物質を含んでいないので，環境汚染を引き起こす危険性が低い。
Power MEMSのもう１つの重要な応用は，マイクロ宇宙船や無人超小形飛行機に代表されるマイクロ飛翔体のスラスタである。素人である我々があらためて述べるまでもなく，人工衛星，惑星探査機などの宇宙船にとって，小形化・軽量化・省電力化は永遠の課題である。宇宙船の小形・軽量化は，１kg当たり数百万円と言われる打ち上げコストを低減するだけではなく，大きな速度増分を必要とする月・惑星探査機ではミッションの可否を決める。さらに，重量10kg程度のマイクロ宇宙船が実現すると，複数のマイクロ宇宙船を用いた新しい概念のミッションが可能になる。複数のマイクロ宇宙船を分散・協調システムとして用いれば，冗長性と柔軟性とを有するシステムが構築できる。たとえば，ある観測ミッションを機能が異なる複数のマイクロ人工衛星で行えば，別のマイクロ人工衛星を追加して，システムを変更・増強したり，故障または旧式化したマイクロ人工衛星だけを交換したり，信頼性の必要な機能だけを複数のマイクロ人工衛星で冗長化したりできる。また，離れた位置に存在する複数のマイクロ宇宙船を協調動作させて，空間的な広がりを獲得することもできる。たとえば，開口合成による分解能の向上，多数点の同時観測によるマッピングなどが，新しい概念のミッションとして考えられている。
MEMSを用いてマイクロ宇宙船を実現するためには，地上用のMEMSを転用するか，宇宙用のMEMSを新規に開発するかしなくてはならない。地上用のセンサなどを宇宙用に転用するとしても，宇宙に特有の放射線や打ち上げ時のストレスに対処し，宇宙での信頼性を確保する必要がある。さらに，地上用として対応するものがない推進系などは，新規開発が必要である。半導体集積回路と同様に，構造と製作工程とが不可分であるというMEMSの特徴を考えると，これらを実現するためには，詳細な仕様や構造を決めて，研究開発をアウトソーシングするような方法は通用せず，宇宙開発機関が主体的にMEMSの研究開発に参加する必要がある。米国では，National Aeronautics and Space Administration (NASA)やJet Propulsion Laboratory (JPL)が，MEMS研究の部署と施設とを自ら抱え，宇宙用に特化したMEMS研究を進めているが，日本ではそのような例は見当たらない。このような状況で，宇宙科学研究所(徳留真一郎助手，堀恵一助教授，齋藤宏文教授)と我々とが進めているマイクロスラスタの共同研究は，両者が主体的に研究に取り組んでいることから，日本の宇宙開発にとって小さいが重要な一歩なのではないかと思っている。以降では，この共同研究を紹介する。
