2019年SAM1,000ドル大学奨学金コンテスト受賞者

2019年度スタンフォード先端材料1000ドル大学奨学金コンテストは、過去最多の学生の応募で先月終了しました。受賞者の皆さん、おめでとうございます：

チャールズ・ボイル
テキサス大学オースティン校

応募者は、生活の中で先端材料に関する経験を共有し、それが将来どのような影響を与えるかについて語るエッセイを書くよう求められました。

全米の学生から200以上の応募があり、チャールズさんが最優秀賞を受賞しました。彼は、リフラクトリー・メタルズについてのクールな経験と思慮深いアイデアをエッセイで披露し、1,000ドルを手にしました：

チャールズ・ボイル

NASAマーシャル宇宙飛行センターのグリーン推進ラボでの春のインターンシップだ。それは、NASAマーシャル宇宙飛行センターのグリーン推進ラボでの春季インターンシップだった。このインターンシップ期間中、私は2つの主要プロジェクトに携わった。NASA初の宇宙船燃料用低毒性 "グリーン "モノプロペラント・ローディング・システムの設計と製造、そしてグリーン推進剤のインターフェイスに最適化されたキューブサット加圧モジュールの設計だ。これら2つの経験を通して、私はグリーン推進システムが現在のヒドラジン単推進剤システムに対して持つ利点と、宇宙船ミッションにおけるグリーン推進剤の普及を妨げている問題点について深く理解することができました。

NASAでの経験から、グリーン推進剤に関連する主な問題ではないにしても、その一つは、適切な燃焼に必要な温度であることを発見した。燃焼室アセンブリに広く使用されている一般的な材料は、グリーン推進剤の熱分解に伴う過度の高温に耐えられません。グリーン推進剤は、従来の単推進剤と比較して、毒性が低い、インパルス密度が高い、取り扱いが容易であるなどの様々な利点を有しているにもかかわらず、一般的な材料がグリーン推進剤に関連する高温および/または酸化的燃焼環境に耐えられない場合、これらの推進システムは不可能となる。

そこで、耐火性金属の出番となる。グリーン推進の未来は、耐火金属（RM）製造技術の進歩にある。イリジウムやレニウムのような耐火性金属は、持続的なグリーン推進剤の熱分解に伴う温度に耐えることができる数少ない材料であるため、グリーン推進剤スラスタの設計にとって最も重要である。しかし、そのタイムリーで高価な製造方法により、グリーン推進システムの使用は一部のミッションに限られている。さらに、グリーン推進剤システムにおける耐火性金属の現在の使用は、ほとんどの場合、減法的製造に限られている。DMLSプリントベッド上でのレニウムノズルの印刷など、耐火性金属に関連する付加製造技術は比較的未開拓である。したがって、より安価なRMサブトラクティブ製造技術と、信頼性の高いRMアディティブ製造技術の開発は、衛星推進システムの分野を完全に変える可能性がある。これらのRM製造能力により、ヒドラジンスラスターのような現在の単推進剤システムをグリーン単推進剤システムで完全に置き換えることができるようになり、その結果、単推進剤推進システムの平均毒性が劇的に低下し、インパルス密度が大幅に向上する。

なぜこれが重要なのか？推進科学の中では非常に特殊な技術的問題であるにもかかわらず、耐火性金属は、その関連製造技術がより効率的になれば、航空宇宙分野に大きな影響を与えることになる。グリーン推進剤が提供する主な利点は、より高いインパルス密度、言い換えれば、推進剤の単位体積当たりに宇宙船に提供できるより高いインパルスである。これは技術的に小さなことではない。インパルス密度が高ければ、ミッション設計段階で画期的なミッションの採否を分けることができる。言い換えれば、インパルス密度に余裕があるかどうかが、ミッションを前進させ、かつてはサイエンス・フィクションであったものを最終的に現実のものとする最終的な要因となる可能性が非常に現実的なのである。

例えば、今後10年間で最も重要な宇宙事業と考えられているミッションは、火星サンプル・リターン（MSR）ミッションである。このミッションで最も最先端のエンジニアリングを必要とするのは、火星上昇機（MAV）である。MAVは、火星表面サンプルを火星軌道まで上昇させる宇宙船である。このタイプの打ち上げは、明らかにこれまで一度も行われたことがない。MAVを設計する試みのほとんどは、ペイロードを軌道に運ぶために固体、ハイブリッド、または単推薬推進システムのいずれかを使用しており、提案されたMAV推進アーキテクチャは、ペイロードを火星軌道に運ぶために必要なインパルスを提供することができないのが普通です。これはまさに、耐火性金属を使用することで、人類がこれまでに実行した中で最も重要なミッションの1つを成功に導くことができるということです。耐火金属の製造技術を進歩させ、「環境に優しい」高性能MAV推進システムの設計に耐火金属を使用できるようになれば、MSRミッションの成功が可能になり、人類が火星表面に足を踏み入れる一歩手前まで近づくことができます。

先達の優秀な航空宇宙エンジニアたちと同様、私は自分のライフワークの成果として、人間やロボットを地球軌道を越えて手つかずの天体に送り出したいと考えている。この夢を実現するために、人類はまず手頃な価格で信頼性の高い次世代推進システムを作り出す必要がある。耐火性金属は、現在のヒドラジン単推進剤システムを、より効率的で信頼性の高いグリーン推進システムに変えることを可能にする重要な要素である。これらのグリーン推進システムは、最終的には小型衛星推進分野に革命をもたらし、人類が宇宙探査の未来に抱く高い目標を可能にする。

参考文献：Cavender, D. P., Marshall, W. M., & Maynard, A. P. (n.d.).2018 NASAグリーン推進技術開発ロードマップ。

素晴らしい仕事だ、チャールズ！大学生活とその先もよろしく。