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「空気を吸い込んで、それを燃料にして飛び続ける衛星」というアイデアがあります。大気吸込み式電気推進（ABEP）と呼ばれる方式で、これから飛ばすという企業の計画も出てきました。ただ、計画の発表で語られるのは「何をやるか」であって、「エンジンの中がどうなっているか」までは出てきません。
その中身を一つ、設計から試験まで詰めた論文が公開されています。ドイツ・シュツットガルト大学のFrancesco Romano（フランチェスコ・ロマーノ）氏が博士論文としてまとめたもので、2026年7月にarXiv（アーカイブ）で読めるようになりました。宇宙ニュースサイトのUniverse Todayが9月12日に取り上げています。学術誌の査読を経た論文ではなく、博士論文をそのまま公開したものなので、その点は含んでおいてください。
低い軌道は魅力的だが、空気が邪魔をする
地球から近いところを回る衛星ほど、カメラには地表が大きく写り、通信やレーダーに要る電力も少なくて済みます。Universe Todayの記事では、高度100〜450kmあたりをVLEO（超低軌道）と呼び、このあたりを飛ぶ利点を挙げています。役目を終えた衛星が空気の抵抗で勝手に落ちてきて、宇宙ごみとして残らないのも利点の一つです。
ところが、その空気の抵抗が現役の衛星にも効きます。減速しないようにエンジンをほぼ回しっぱなしにする必要があり、電気推進で使うキセノンのような推進剤が要ります。推進剤は積んだ分しかないので、なくなればそこで任務は終わりです。
ABEPは、この抵抗のもとになっている薄い空気を前から取り込み、電気の力でプラズマ（電離した気体）にして後ろへ吹き出します。推進剤を積んでいく代わりに、周りから補給し続ける方式です。仕組みを一行で言えばそれだけですが、実際に作ろうとすると壁がいくつかあります。Romano氏の論文は、その壁をどう越えたかの記録です。
空気を集める入り口を三つ試す
ABEPは「空気を集める取り入れ口」と「集めた空気を吹き出すスラスタ（推進器）」の二つで成り立ちます。まずは取り入れ口です。
高度200km前後の空気は、地上とは比べものにならないほど薄く、分子どうしがほとんどぶつかりません。ジェットエンジンのように「流れ」として吸い込むことはできず、飛んでくる分子を一つずつ捕まえる発想になります。Romano氏は三種類の取り入れ口を設計して比べました。分子をとらえる漏斗（じょうご）型、チタン合金にコーティングをした六角形の構造を並べる型、そして黒鉛や二酸化ケイ素でコーティングした放物面の鏡型です。
鏡型は、当たった分子を鏡のように跳ね返してエンジンへ送り込みます。結果はこれが一番で、風洞試験で入ってきた粒子のおよそ94.3%を集められました。しかも機体が15度傾いても、集める効率の落ちは8%ほどにとどまっています。実際の衛星は姿勢が多少ぶれるので、傾きに強いのは大事な性質です。論文の要旨でも、分子を乱反射させる二つの設計は効率0.5未満、鏡型は0.95に迫る値と書かれていて、差ははっきりしています。
燃料そのものがエンジンを削る
取り入れ口ができたら、あとは吹き出す側です。ここで問題になるのが、集めた空気の中身でした。
高い高度では、太陽の紫外線が酸素分子（O2）を引き裂いて、酸素原子が単独で漂っています。原子状酸素と呼ばれるもので、とにかく反応しやすく、金属をどんどん酸化させます。従来の電気推進で使う電極、イオンを加速する格子、そして陰極（カソード）は、この原子状酸素にさらされると削られていきます。
とくに陰極が厄介です。イオンエンジンは、プラスの電気を帯びたイオンを吹き出す方式なので、機体がマイナスに帯電しないように、電子を放つ「中和器」を別に持っています。この中和器の陰極が原子状酸素にやられると、機体が帯電し、せっかく吹き出したイオンを自分で引き戻してしまいます。推力が消えるどころか、システムとして成り立たなくなるわけです。ふつうの電気推進の作りをそのまま持ち込むと、燃料である空気自身がエンジンを壊す、という構図になります。
Romano氏が選んだのは、プラズマに触れる電極を一切持たず、中和器も使わないRFヘリコン・プラズマ・スラスタという方式でした。管の中の気体を、外側に巻いたアンテナから電波（RF）を当てて電離させます。電極がプラズマに接していないので、原子状酸素に削られる部品がそもそもありません。電離した気体は、周りに巻いたソレノイド（電磁石のコイル）が作る磁場に押されて後ろへ出ていきます。このとき、プラスのイオンとマイナスの電子がほぼ同じだけ混ざった「準中性」のジェットとして出ていくので、あとから電子を足して打ち消す中和器が要らないのです。
アンテナの形には、医療用のMRI装置で使われているバードケージ型（鳥かご型）を採り入れました。単純な導線のコイルだと、コイル自身の電気的な性質で電力の一部が失われますが、共振させたバードケージ型なら送り込んだ電力のほとんどをプラズマ側に渡せます。論文では、真空中の試験で電力の99%超がスラスタに入ったとしています。
上の図のように、前の取り入れ口で集めた空気が管に入り、鳥かご型のアンテナとコイルに囲まれた区間でプラズマになって、そのまま後ろへ抜けていく構造です。
真空槽で火を入れてみた
設計したスラスタは実際に製作され、真空槽の中で試験されました。超低軌道で出会う主な気体を模して、アルゴン、窒素、酸素をそれぞれ流し、点火して動作を確かめています。投入した電波の電力は50〜60W程度で、論文の要旨では60W未満と書かれています。衛星の太陽電池でまかなえる範囲です。プラズマの噴流の中でヘリコン波を検出するための磁気プローブも、この研究の中で開発されています。
ただし、ここで確認されたのは「点火して安定して動く」ことです。どれだけの推力が出たのかという数字は、Universe Todayの記事にもarXivの要旨にも出てきません。推力の実測値を知りたければ、論文本文を当たる必要があります。
数字を実在の衛星に当てはめる
試験のあと、Romano氏はこの推進系のモデルを実際のケースに当てはめています。相手はESA（欧州宇宙機関）の重力観測衛星GOCE（ゴーチェ）です。GOCEは高度250km前後という低いところをキセノンのイオンエンジンで飛び続けた衛星で、推進剤が尽きて2013年に任務を終えました。ABEPの発想を語るときに、まず引き合いに出される機体です。
論文の計算では、この新しいエンジンなら高度190〜250kmを1.6kW未満の電力で、推進剤切れなしに飛び続けられるとしています。これも衛星の太陽電池で出せる範囲です。
そして地球だけの話にとどめていません。火星の大気は二酸化炭素が主成分ですが、それを吸っても同じことができ、高度120〜160kmで周回を維持できると計算しています。いま火星を回っている探査機よりずっと低い高度です。空気を吸って飛ぶ方式は、大気がある天体ならどこでも使える、という見通しになります。
まだ実験室の中の話
ここまでの数字は、風洞と真空槽での試験、そしてそれをもとにした計算です。取り入れ口の効率、電力の伝わり方、点火に要る電力は測られましたが、実際に宇宙で飛ばして抵抗に打ち勝った実績はありません。Universe Todayの記事も、この設計が実験室の外で使われる保証はどこにもない、と書いています。
それでも、空気を吸って飛ぶエンジンの話が「構想」から「一つひとつの部品の設計」まで降りてきたのは確かです。原子状酸素に削られない作りを、電極を持たないことで実現し、中和器も要らなくした。取り入れ口は鏡型で9割以上を集められた。数字と一緒に手の内が公開されたことで、次に作る人が同じところから始められます。この設計が誰かの手で宇宙まで運ばれるかどうかは、これからです。
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画像について
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出典
この記事は、以下の記事と論文をもとに書きました。
A New Design For A Plasma Engine Fuels On Only Thin Air（Universe Today・2026年9月12日、Andy Tomaswick）
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