宇宙環境エネルギーを利用した
宇宙システムの実現を目指して
京都大学生存圏研究所 スペースグループ
宇宙圏航行システム工学分野
山川研究室
福原
始
UNISEC WORKSHOP 2009 @ 慶應義塾大学 11/28-29© NASA © NASA
太陽光
太陽光
太陽風
太陽風
太陽からのエネルギー
太陽がどのように地球近傍の環境へ影響しているか？ 太陽と地球が形成する環境を利用して 新たな推進システム・軌道を考えることはできないか？ 太陽光をもっと電気エネルギーとして利用できないか？テーマは
テーマは
宇宙の環境とエネルギー
宇宙の環境とエネルギー
活動概要
・プラズマ環境の観測器開発・小型化
・太陽エネルギーを利用した推進システム開発
・宇宙太陽発電所の実現に向けた
無線電力伝送システムの開発
・帯電衛星の軌道制御
・ソーラーセイル軌道ダイナミクス
プラズマ環境の観測器開発
地球磁気圏の構造 [Copyright NASA/ISTP]プラズマ粒子たち
‘衝突’
ではなく、電磁場＝
プラズマ波動
を介して運動エネルギーを交換
宇宙空間は希薄なプラズマで満たされている太陽風
（超音速プラズマ流）
太陽風と地球磁場が 相互作用 磁気圏が形成 太陽系：太陽風と惑星固有磁場⇒磁気圏 銀河系:星間物質と惑星間磁場⇒ヘリオスフィア波動粒子相互作用
プラズマやプラズマ波動を観測する⇒宇宙電磁環境計測
宇宙電磁環境計測
などがわかる • プラズマ波動の励起メカニズム • プラズマ粒子間のエネルギ授受プラズマ波動を観測・解析することで
・波形捕捉受信器 ・スペクトル観測器 GEOTAIL(1992), かぐや(2007)にも搭 載 電子機器の損傷、通信障害、宇宙飛行士の健康被害などの悪影響の軽減宇宙天気予報
(c) SOHO (ESA & NASA)
太陽活動と地球周辺
の電磁気学的な物理
現象との関係
計測の意義
計測の手法
科学衛星による「その場観測」 電磁場センサー 電場：ダイポールアンテナ 磁場：ループアンテナ 衛星に搭載する観測器＝プラズマ波動観測器 プラズマ計測：静電分析器・質量分析器など波動粒子相互作用の直接観測
・プラズマ粒子計測
・プラズマ波動観測
・背景磁場計測
を組み合わせ協調させて 独立している波動粒子相互作用解析器: WPIA
(Wave-Particle Interaction Analyzer)
波動粒子相互作用を衛星機上で直接観測する
CPUを用いるSoftware WPIA 2013～4年 ERGに搭載 FPGAによるOne-Chip WPIA
プラズマ波動観測器の小型化
・
入力部の低雑音化
・
高感度
・
良好なS/N (0~100kHz)
・
6成分の連続的な観測
(Ex, Ey, Ez, Bx, By, Bz)
・
入力部の低雑音化
・
高感度
・
良好なS/N (0~100kHz)
・
6成分の連続的な観測
(Ex, Ey, Ez, Bx, By, Bz)
ASIC技術によるアナログ回路の小型化
ASIC: Application Specific Integrated Circuit高感度・低雑音の観測器が必要
・市販の部品を使用 →デジタル回路の小型化は実現 アナログ回路の極端な小型化は困難 ・市販の部品調達自体が困難になることも ベアチップ (3mm x 3mm)製造プロセス: TSMC 0.25um Mixed signal
設計ツール: VDEC (VDEC: VLSI Design and Education Center) 提供
- アナログ
ASICの設計とレイアウトを行う
MP X A/D LPF/BPF S/H FIFO A/D LPF LPF S/H LPF S/H MPX S/H A/D LPF LPF A/D EFD WFC/OFA(B) x B y B z B 10MHz-30MHz 90MHz 30Hz 30Hz 300Hz/10kHz 300Hz/10kHz 300Hz/10kHz 900Hz/30kHz 900Hz/30kHz 900Hz/30kHz FIFO LPF S/H LPF S/H LPF S/H SPT :Ez WP T :Ey WP T :Ex WFC/OFA(E) HFA MDP DHU LPF 30Hz MP X 300Hz/20kHz/100kHz 900Hz/60kHz/300kHz O-WPIA SC SpW SpW 300Hz/20kHz/100kHz 300Hz/20kHz/100kHz 900Hz/60kHz/300kHz 900Hz/60kHz/300kHz S/H A/D FPGA-DDC 90MHz OCXO FPGA LPF/BPF 10MHz-30MHzアナログ回路
1チップアナログ回路レイアウト
電磁場 計6成分ア
ン
テ
ナ
アンプ/ フィルタ を通った 電磁場 計6成分デ
ィ
ジ
タ
ル
回
路
Monitor System for space
Electromagnetic Environment
Monitor system for Space Electromagnetic Environments (MSEE)
観測対象:
・
人工擾乱
・自然由来の物理現象の
空間的な
拡がり
特徴:
・プラズマ波動の
多点観測
・簡易で安価なシステム
Sensor network in space
ターゲット領域に無作為に飛散させ、プラ
ズマ波動の様子をモニターする
ターゲット領域に無作為に飛散させ、プラ
ズマ波動の様子をモニターする
センサーノード ~Max . 1km宇宙電磁環境モニターシステム
•手軽
•サイズ: 7 cm 角
•観測周波数帯域: < 100 kHz
•
時間分解能: 数秒
•
姿勢＆軌道制御しない
•
通信: 無線 LAN
(アドホック通信)
•
電源: 乾電池 (6.0 V)
•
寿命： 数時間
•
ノード間距離: ~ 1 km
•手軽
•サイズ:
7 cm 角
•観測周波数帯域: < 100 kHz
•
時間分解能: 数秒
•
姿勢＆軌道制御しない
•
通信:
無線 LAN
(アドホック通信)
•
電源:
乾電池 (6.0 V)
•
寿命：
数時間
•
ノード間距離
:
~ 1 km
センサーノードと回路
プログラム書込回路 レベル変換・ダイナミックレンジ調整 CPU:dsPIC USB-シリアル変換モジュール Analog ASIC ロジックIC フラックスゲート GPS受信機 信号処理・制御を行う回路のブレッドボードモデル小型太陽センサ地球センサ
情報求ム！
活動概要
・プラズマ環境の観測器開発・小型化
・太陽エネルギーを利用した推進システム開発
・宇宙太陽発電所の実現に向けた
無線電力伝送システムの開発
・帯電衛星の軌道制御
・ソーラーセイル軌道ダイナミクス
磁気セイル / 磁気プラズマセイル
推力 太陽風 磁気圏 宇宙機宇宙推進システム …
化学推進、電気推進など
深宇宙探査においては、高効率かつ高速での推進が
可能なシステムが必要になる
新たな推進システム
太陽風の運動量を推力に変換
磁気セイル
磁気プラズマセイル
（JAXA） 宇宙機から少量のプラズマを噴射し、 磁気圏を拡大させ磁気セイルよりも 高い推力を得る磁気セイル実現に向けて
太陽風
電子数密度分布
m m 個/m3宇宙機
磁気圏が形成されていることがわかる 磁気圏形状から宇宙機に働く推力を求める数値計算による推力の解析
超伝導コイルを用いた実験系の構築
宇宙機から一定の磁場を発生させる
電気抵抗が0（あるいは非常に小さい）
超伝導コイルを用いなければならない
・電源系とコイルの励磁を行う回路の設計 ・超伝導コイルを用いた場合の 推力発生メカニズムの実証 超伝導コイル実験装置活動概要
・プラズマ環境の観測器開発・小型化
・太陽エネルギーを利用した推進システム開発
・宇宙太陽発電所の実現に向けた
無線電力伝送システムの開発
・帯電による衛星の軌道制御
・ソーラーセイル軌道ダイナミクス
帯電による衛星の軌道制御
地球と帯電衛星の間にはたらく ローレンツ力を考える場合の座標系 帯電⇒地球磁場によるローレンツ力が働く 非帯電 ターゲット衛星（非帯電）ローレンツ力
軌道傾斜角の違いによるチェイサー衛星の軌道変化クーロン力
複数の帯電した衛星帯電による衛星の軌道制御
地球と帯電衛星の間にはたらく ローレンツ力を考える場合の座標系 帯電⇒地球磁場によるローレンツ力が働く 非帯電 ターゲット衛星（非帯電）ローレンツ力
軌道傾斜角の違いによるチェイサー衛星の軌道変化クーロン力
複数の帯電した衛星 相互にクーロン力が働くソーラーセイルによる軌道ダイナミクス
http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/ap030308.html ・太陽輻射圧を考慮したソーラーセイルの非線形軌道力学 ・太陽風動圧を考慮した磁気セイルの軌道ダイナミクス 地球 宇宙機の描く楕円軌道の向きを大きく変化させることができる活動概要
・プラズマ環境の観測器開発・小型化
・太陽エネルギーを利用した推進システム開発
・宇宙太陽発電所の実現に向けた
無線電力伝送システムの開発
・帯電衛星の軌道制御
・ソーラーセイル軌道ダイナミクス
宇宙太陽発電所の実現に向けた
無線電力電送システムの開発
太陽光発電
無線電力電送
・レーザー
・
マイクロ波
宇宙太陽発電所のイメージ図 飛行船からの無線電力電送 約36000km 数十 m 2009年3月 マイクロ波 LEDありがとうございました。
京都大学生存圏研究所 宇宙圏航行システム工学分野 山川研究室 修士2年 福原 始
