航空宇宙産業もエネルギーを節約し、排出量を削減する必要がありますか?ロケットのグリーン革命の秘密を解明

近年、世界中のロケット打ち上げ回数は急増しており、2017年の91回から2023年には233回と2倍以上に増加する見込みです。打ち上げのたびに、人類は宇宙飛行の分野で新たな章を書こうとしており、ロケットが地球環境に与える影響はますます世間の注目を集めています。最近、国務院は「2024-2025省エネ・炭素削減行動計画」を発表し、多くの人々が航空宇宙ブームと省エネ・炭素削減の関係を再検討し始めました。この青い惑星を守り、宇宙探査と環境保護を両立させるにはどうすればいいのでしょうか?

01 ロケットの打ち上げは環境にどのような影響を与えますか?

特に常温の燃料を使用するロケットの打ち上げ時に発生する有毒ガス、排気ガス、廃棄物は、環境に一定の影響を及ぼします。点火と発射の瞬間、燃えるロケット推進剤によって生じる激しい炎により、さまざまな排出物が発生します。

これらの物質のうち、窒素酸化物、硫化物、一酸化炭素は人体に直接有害です。塩素、酸化アルミニウム、窒素酸化物はオゾン層を破壊する可能性があるため、1996 年以降厳しく監視および制限されています。二酸化炭素と窒素酸化物はより多くの熱を吸収するため、温室効果ガスと見なされます。さらに、硫化物や窒素酸化物は酸性雨を引き起こし、さまざまな生物に悪影響を及ぼします。

固体ロケットエンジンから発生する排気ガスには、宇宙活動で発生する特有の汚染物質である塩素や酸化アルミニウムが含まれています。これらは「オゾン層破壊物質」として知られているため、航空宇宙業界から最初に注目を集めました。

ロケット打ち上げ時の排気ガスの煙もオゾン層に大きな影響を与えます。ロケットが成層圏を通過すると、排気煙と塵は最大 2 ～ 3 年間そこに留まります。これは人間が成層圏でエアロゾル汚染を直接生成する唯一の方法です。

打ち上げロケットが環境に与える影響は排出物だけではありません。ほとんどのロケットは使い捨てなので、製造過程で発生する温室効果ガスの排出も環境に影響を与えます。固体燃料デブリやロケットの破片など、地表に落下した廃棄部品も海洋や陸上の汚染の原因となります。

02 環境に優しいロケット打ち上げの道

もちろん、航空宇宙研究者は黙って座っているわけではない。

ロケット打ち上げの中継を見たことがある人なら、打ち上げの瞬間、数十秒以内に発射台から大量の白い霧が噴き出すのに気づいたかもしれません。水の使用は、エンジンの冷却、発射台の保護、騒音低減のためだけではなく、環境保護のニーズを満たすためにも行われます。ロケットが打ち上げられた後、発射台には多くの塵や化学物質が残されることがよくあります。大量の水を使用して洗浄することで、環境へのさらなる汚染を防ぎ、次の打ち上げがスムーズに進むようになります。

研究者らはまた、ロケット打ち上げで発生する排気ガスを処理するために、触媒還元、吸着などの方法も使用する予定だ。 2002年に神舟3号が打ち上げられた際、酒泉衛星発射センターは宇宙発射場の推進剤廃ガス処理システムを初めて使用しました。ロケットの推進剤を充填する際に発生する廃ガスは浄化装置に運ばれ、燃焼剤と混合して燃焼させることで有毒な廃ガスを浄化しました。

常温燃料ロケットの打ち上げ時に発生する有毒ガスを完全に排除するため、我が国は常温燃料ロケットをクリーンな極低温燃料を使用する新世代ロケットに置き換えています。例えば、長征7号は長征2Fロケットをベースにしていますが、ロケットの四酸化窒素/ジメチルヒドラジン常温推進剤エンジンは、液体酸素/灯油低温推進剤エンジンに置き換えられています。交換の利点は、推進剤を環境に優しいものにするだけでなく、ロケットの積載量を向上させ、推進剤のコストを削減し、将来の再利用への道を開くことです。

2021年5月29日、海南省文昌宇宙発射センターで、天舟2号貨物宇宙船を搭載した長征7号堯3号ロケットが点火され、打ち上げられた。注意深い人なら、今回のロケットが点火された瞬間、「ポパイ」長征7号の尾翼には四酸化窒素の不完全燃焼による赤い「煙」はなく、代わりに綿菓子のような白い「煙」があったことに気づくだろう。

画像出典：新華社通信（撮影：ジュ・ジェンファ）

ロケットを打ち上げるには、動力を供給するために高品質の燃料が必要です。プロセスをさらに環境に優しいものにするには、燃料を生産する方法も「再生可能」でなければなりません。現在の航空宇宙技術では、ロケットは通常、水蒸気改質によって生成される炭化水素燃料を液体推進剤として使用します。その原理は、天然ガスや石油などの炭化水素を水蒸気と反応させて、水素と二酸化炭素、および一酸化炭素などの副産物を生成することです。太陽光や風力で発電した電気を使って水を分解し、電気分解で水素を製造すれば、生成される「グリーン水素」はよりクリーンなものとなる。欧州や日本では、牛糞から抽出した液化バイオメタンをロケットエンジンの燃料として使用している企業もある。

03 朱雀2号が先頭に立つ：商業宇宙旅行は環境に優しく持続可能な開発に向かっている

ロケットの推進剤はロケットの能力を決定する重要な要素です。推進剤はロケットエンジン内で急速に燃焼し、ロケットの離陸、加速、軌道変更を助けます。推進剤の性能はロケットの推力と速度に直接影響します。

現在、主流のロケットのほとんどは、低コストで比推力が高いものの、炭素堆積物やコークス化が発生しやすい液体酸素/ケトン推進剤を使用しています。液体水素・液体酸素推進剤は比推力が高く、燃焼生成物もクリーンであるものの、密度が低いためロケットが大型化し、現状では基礎段階では単独で大規模に使用することは困難です。

液体酸素/メタン推進剤は、その高い燃焼効率、環境に優しい環境保護、低コスト、容易な製造などの理由から、ロケットエンジン推進剤の理想的な材料の 1 つとして、世界各国で徐々に認識されつつあります。

液体酸素は液体の酸素であり、ロケットエンジンに十分な酸化剤を供給できます。メタンは水素に次いで2番目にクリーンな化合物です。燃焼が安定しているだけでなく、カーボン堆積物がほとんど発生しないため、エンジンのリサイクルや再利用が容易になります。

しかし、液体酸素/メタンロケットの開発は容易ではありません。エンジンの設計、材料の選択、燃料の貯蔵など、多くの面で技術的な課題が伴います。世界的に、液体酸素やメタンロケットは急速な研究開発の時期を迎えており、中国の科学研究者も絶えず画期的な進歩を遂げている。

2023年7月12日、中国の朱雀2号・堯2号ロケットが軌道に正常に投入された。これは、軌道投入に成功した世界初の液体酸素/メタンロケットであり、中国の民間航空宇宙産業において、独自に開発した液体エンジンをベースに軌道投入に成功した初の搬送ロケットでもある。この画期的な出来事は、中国のグリーン航空宇宙産業のさらなる確実な前進を示すものである。

すざく2号・やお2号ロケットの打ち上げに成功しました。

画像出典：新華社通信（撮影：王江波）

前述のように、ロケットの製造自体も大量の二酸化炭素と汚染物質を生み出します。ロケットを再利用することができれば、製造時の排出がロケットの寿命全体にわたって分散され、ロケットを宇宙に運ぶコストが大幅に削減されます。すざく2号に続く次世代ロケットとして、同じく液体酸素・メタン燃料を使用する再使用型ロケット「すざく3号」も着実に開発が進んでいる。 2024年1月19日、再使用型ロケット「すざく3号」が初の大規模垂直離着陸飛行試験を完了した。このロケットは2025年に初飛行する予定だ。

中国は、将来の大規模宇宙ミッションのニーズをさらにサポートするために、200トンの全流量段階燃焼サイクル液体酸素/メタンエンジンの開発も行っています。エンジンスキームの実証が完了し、トーチ点火装置の高温試験、ガス発生器のスケール部品の高温試験、および推力室のスケール部品の高温試験評価が無事完了しました。

人類は広大な空に憧れ、宇宙の奥深くにある謎を解明したいと願っています。この過程では、科学技術の進歩を追求するだけでなく、宇宙探査のあらゆる側面にグリーンコンセプトを深く根付かせなければなりません。科学技術の力によって、宇宙探査の道はよりクリーンかつ持続可能なものとなり、星々と海に人類の知恵と文明の足跡を残すことができると同時に、自然を尊重し保護するという永遠の約束も残すことができると信じるに足る理由があります。

著者: Yu Yuanhang、北京航空宇宙システム工学研究所上級エンジニア

査読者: パン・ジーハオ、国家宇宙探査技術主任科学コミュニケーション専門家

制作：中国科学普及協会

制作：中国科学技術出版社、中国科学技術出版社（北京）デジタルメディア株式会社

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