水で動く人工衛星？宇宙飛行を変える革新的な推進剤

• 衛星の水推進は、蒸気推進（レジストジェット）、燃焼用の水の電気分解による水素と酸素、または高比推力推進のための水プラズマ/イオンスラスターを利用できます。
• Momentus SpaceのVigorideは、マイクロ波電熱スラスター（MET）を使用しており、太陽光発電で水をマイクロ波加熱し、プラズマにして高エネルギーのジェットとして噴射します。
• 2023年1月、MomentusのVigoride-5は35回のスラスター噴射を行い、水推進のみで軌道を約3km上昇させました。
• 2018年には、HawkEye 360 Pathfinder衛星とCapella Spaceのレーダー衛星がDSIのComet水スラスターを軌道維持に使用し、水推進の商業的な宇宙利用の初事例となりました。
• 2019年には、東京大学のAQT-DキューブサットがISSから放出され、水レジストジェットによる姿勢制御と小規模な軌道変更を試験しました。
• NASAのPathfinder Technology Demonstrator-1（PTD-1）ミッションは2021年に、6Uキューブサットに水電気分解推進システム「Hydros」を搭載し、宇宙空間での電気分解推進を実証しました。
• ArianeGroupは、2026年秋までに軌道上でESMSの実証を計画しており、約90分で水を電気分解し、その後30秒間の二液推進燃焼を行うデュアルモード水エンジンを用いて、約300秒の比推力を達成し、推進コストを最大3分の1削減すると報告されています。
• Pale BlueのPBR-20スラスター（推力1mN、比推力70秒超）は2019年と2023年に試験され、より大型のPBR-50（10mN）は2024年初頭に打ち上げられました。同社は2025年に世界初の1Uサイズ水イオンエンジンを2機のD-Orbitライドシェア衛星に搭載する計画です。
• 2024年までに水スラスターは運用衛星群に導入され、Hawkeye 360、Capella、BlackSky Gen-2衛星が軌道維持にComet水推進を使用しています。
• 2019年のUCFとHoneybee RoboticsによるWINE実証では、模擬小惑星氷から水を採取し、蒸気ロケット推進に利用することで、宇宙空間での燃料補給や「現地調達」の可能性を示しました。

有害な燃料や希少なガスではなく、ありふれた水で衛星が推進される未来を想像してみてください。これはSFのように聞こえるかもしれませんが、水を動力源とする衛星推進装置は急速に現実となりつつあります。これらの新しい推進システムは、H₂Oを推進剤として使用し、過熱蒸気を噴射したり、水を水素と酸素に分解して燃焼させたりして、宇宙空間での機動を実現します。その魅力は明白です。水は安価で豊富、環境にやさしく、従来のロケット燃料よりもはるかに安全に取り扱えます。^[1]、^[2]。元宇宙飛行士クリス・ハドフィールドは、太陽エネルギーと蒸留水だけで宇宙船を推進できることは「大きな自由」だと述べており、特に水は宇宙空間（例えば月のクレーターや彗星の氷）で広く入手可能だからです。^[3]。本レポートでは、水推進の仕組み、その利点と課題、そしてこの技術を実験段階から主流へと押し上げている（2025年までの）最新のブレークスルーについて解説します。

水を動力とする人工衛星スラスターはどのように機能するのか？

水自体は従来の燃料のように燃焼しません――水は反応質量としてエネルギーを与えられ、噴射されることで推力を生み出します。エンジニアたちは水燃料エンジンを実現するために、いくつかの巧妙な方法を考案しました:

• スチーム推進（電熱スラスター）：最もシンプルな方法は、水を高圧の蒸気に加熱し、それをノズルから噴射して推力を生み出すことです。これらの「スチームロケット」やレジストジェット設計では、電気ヒーターやマイクロ波エネルギーを使って水を沸騰させます。例えば、Momentus Space社のVigoride機は、マイクロ波電熱スラスター（MET）を使用し、「太陽光で水をマイクロ波加熱」して沸騰させ、プラズマにして高エネルギーのジェットとして噴射します^[4]。これは、やかんや電子レンジにノズルを付けたようなもので、噴射された高温の蒸気が人工衛星を押し出します。スチームベースのスラスターは推力は小さいですが、非常に安全で機械的にもシンプルです。日本のスタートアップPale Blueは、2023年に軌道上でこのようなシステムを実証し、水レジストジェットを使って小型ソニー衛星の軌道を数キロメートル調整しました^[5]。Pale Blueの設計は、低圧で水を保持し、適度な温度で蒸発させる方式で、宇宙空間で2分間の連続噴射を実証しました^[6]。
• 電気分解（水ロケットエンジン）： よりエネルギッシュな方法としては、水を水素と酸素のガスに分解し（電気分解によって）、その混合気体をミニロケットスラスターで燃焼させるというものです。基本的に、衛星は加圧されていない液体の水を搭載し、太陽電池パネルからの電力を使って必要に応じて可燃性ガスを生成します。NASAのHydrosエンジンは、Tethers Unlimited社と共同開発され、このアプローチを切り開きました^[7]。軌道上でHydrosは水を電気分解してH₂とO₂をブラダーに貯蔵し、それらをチャンバー内で点火して推力を発生させます^[8]。これは「電気推進と化学推進のハイブリッド」だと、Tethers Unlimited社のCEOロバート・ホイトは説明しています。太陽光発電で水を分解し、その後の燃焼で強力な推進力を得るのです^[9]。欧州のArianeGroupの技術者たちも同様のシステムを開発中です。大型の水タンクが電解装置に水を供給し、約90分間の生成後に水素／酸素ガスを点火し、1サイクルあたり約30秒間の推力を生み出します^[10]。この周期的な充電・燃焼プロセスは、電気イオンスラスターよりもはるかに高い推力レベルを実現できます（ArianeGroupの試算では、ホール効果イオンスラスターの入力電力あたり最大14倍の推力）^[11]。その代償として、比推力（すなわち燃料効率）は従来の化学推進と電気推進の中間程度です^[12]。それでも性能は印象的です。「ヒドラジンの比推力は200秒ですが、水の場合は300秒です」とArianeGroupのジャン＝マリー・ル・コック氏は述べており、自社の水エンジンが置き換えうる有毒燃料と比較して好意的に評価しています^[13]。
• 水を用いたイオン・プラズマスラスター: 水は、先進的な電気推進システムの推進剤としても利用できます。これらの設計では、水蒸気がイオン化またはプラズマ化され、電磁場によって加速されて推力を生み出します（キセノンイオンエンジンと同様です）。例えば、Pale Blue社は、Water Ion Thrusterを開発しており、マイクロ波プラズマ源を使って水分子を原子化し、イオンを噴射して推力を得ています^[14]。このようなシステムは、推進剤が非常に高い速度で噴射されるため、はるかに高い比推力（500秒以上）を達成できます^[15]。同様に、水を供給するアークジェットスラスター（約550秒のIsp）やマイクロ波プラズマスラスター（最大800秒のIsp）も研究者によって試験されています^[16]。これらは、多くの最先端電気スラスターと同等かそれ以上の性能です。課題は、プラズマ生成の管理と、水の副生成物による電極腐食の防止です。しかし、その可能性は非常に大きいです。高比推力の水スラスターは、特定のミッションにおいて従来の燃料よりも水を質量効率的に利用できる可能性があります^[17]。これらはまだ新しい技術ですが、Pale Blue社の水イオンエンジンの初の軌道上デモは、2025年にD-Orbit社のキャリア宇宙船による2つのミッションで予定されています^[18]。将来的には、ハイブリッドスラスターがモードを組み合わせることも考えられます。例えば、必要な時には高推力のスチーム噴射、長期間の巡航には効率的なイオン推進を提供するデュアルシステムなどです^[19]。

すべての場合において、核心となるアイデアは電気エネルギー（太陽電池パネルから）を使って水の質量に運動エネルギーを加え、それを噴射して推進力を得ることです。水自体は不活性で無毒なので、非常に便利です ― 液体のまま保存でき（打ち上げ時に高圧タンクが不要）、爆発したり取り扱う人を毒したりしません。推進装置は、衛星が安全に軌道上に到達し、加熱や電気分解のための電力が利用可能になって初めて「目覚め」ます。このオンデマンドの特性こそが、NASAが小型衛星向けの水ベーススラスターに投資してきた理由です：「PTD-1は、宇宙での水ベース電気分解宇宙機推進システムの初の実証を行います」と、2021年のテストミッションのプロジェクトマネージャー、デイビッド・メイヤー氏は述べています^[20]。次のセクションでは、このコンセプトがなぜこれほど魅力的なのか、そしてどんな課題が残っているのかを探ります。

水推進の利点

安全性とシンプルさ: 従来の衛星推進剤であるヒドラジンやキセノンは、非常に有毒・腐食性があるか、または高圧化が必要です。それに対し水は、「私が知る中で最も安全なロケット燃料です」とメイヤー氏は述べています^[21]。水は無毒・不燃性で、常温で安定しているため、統合や打ち上げがはるかに簡単かつ安価になります^[22]。防護服や複雑な燃料充填手順も不要で、「学部生に触らせても、彼らが自分を毒することはありません」とTethers Unlimited社のCEOは冗談を言います^[23]。この安全性は、特に高価な主ペイロードと同乗するロケットでのCubeSatにとって重要であり、厳しい規則により爆発物や高圧タンクの搭載がしばしば禁止されています^[24]。水推進システムは軌道上で作動するまで無害なままなので、射場の安全性の懸念も軽減されます。これにより、以前は燃料安全規制のために不可能だった小型CubeSatにも推進装置の搭載が可能になりました。

低コストと普及性: 水は非常に安価で、世界中どこでも手に入ります。供給網のボトルネックもなく、世界中のどの発射場でも純水を簡単に入手でき（多少こぼしても問題ありません）。「水は地球上のどこでも入手でき、リスクなく輸送できます」とアリアングループのニコラス・ハーマンサ氏は強調し、「水は未来の燃料だと確信しています」^[25]。1リットルあたりのコストは数円程度で、キセノンガスのような特殊な電気推進剤は価格や供給が変動しています。水スラスター用のハードウェアも安価にでき、重い圧力容器や有毒物質用の配管も不要です。全体として、アリアングループの試算によれば、水を使うことで推進システムのコストは従来システムの3分の1に削減できるとのことです^[26]。欧州宇宙機関（ESA）は、1トンの衛星がヒドラジンから水電気分解エンジンに切り替えることで、質量を約20kg節約できるうえ、「取り扱いや燃料充填コストも大幅に削減できる」^[27][28]としています。商業オペレーターにとって、これらの質量とコストの節約は、より多くのペイロードとリスク低減につながります。

宇宙空間での燃料補給と持続可能性: おそらく最もエキサイティングな利点は、水推進が持続可能な宇宙インフラを実現できる点です。水は地球上だけでなく、太陽系全体に豊富に存在します。月、火星、小惑星、エウロパのような衛星の氷の堆積物は、まさに「宇宙のガソリンスタンド」として活用されるのを待っています^[29]。有毒な燃料とは異なり、地球外で再生産するには複雑な化学工場が必要ですが、水は採掘後、最小限の処理で推進剤として直接使用できます。これは深宇宙探査にとって大きな意味を持ちます。宇宙船は目的地で氷を採取してタンクを補給し、無限に航行し続けることができるのです。このコンセプトの先駆的なデモは2019年、UCFとHoneybee RoboticsのチームがWINE（World Is Not Enough）プロトタイプをテストした際に実現しました。これは、小型ランダーが模擬小惑星氷を採掘し、それを使って蒸気ロケット推進力を発生させた^[30]ものです。WINEは氷を含むレゴリスを掘削し、水を抽出し、真空チャンバー内で蒸気のジェットでホップすることに成功しました。これにより、ビークルが「現地調達」で自ら燃料補給し、「永遠の探査」^[31]が可能であることが証明されました。長期的には、水を燃料とする宇宙船は地球からの補給なしに小惑星間を移動できるようになります^[32]。地球近傍の運用でも、Orbit Fabのような企業は水を軌道上燃料補給サービスの候補として注目しています。取り扱いが容易だからです。これらすべてが、水推進を宇宙経済の基盤とする理由です。ビジョナリーたちが構築しようとしている宇宙経済において、「私たちは水をその経済の鍵となる基本的資源と見なしている」と、無期限運用のための燃料補給ポート付き次世代Hydrosスラスターを設計しているHoyt氏は語ります^[33]。

環境および運用上の清浄性:グリーン推進剤として、水は有害な排気を出しません ― 排出されるのは水蒸気か、すぐに拡散する微量の水素／酸素だけです。これは地球環境だけでなく、繊細な宇宙機システムにとっても非常に有益です。光学センサーやスタートラッカーが残留物で曇ることはなく、繊細な表面への腐食性プルームの衝突リスクもありません^[34]。クリス・ハドフィールドは、水ベースのスラスターが老朽化したハッブル宇宙望遠鏡の軌道上サービスミッションに理想的であると指摘しています。なぜなら、「[ハッブル]に推進剤の残留物を一切吹きかけることがない」^[35]からです。水プラズマエンジンによる穏やかで制御された推力は、化学エンジンのような激しい衝撃を与えることなく軌道を上げ下げでき、繊細な作業中の機械的ストレスを軽減します^[36]。まとめると、水推進は衛星を打ち上げたり製造したりする人々だけでなく、衛星自身やその宇宙の隣人たちにも優しい技術です。

軌道上で水ベースのスラスターを使用する小型衛星のイラスト。水を電気加熱または電気分解して推力を生み出すことで、水燃料推進は従来の化学ロケットよりも安全で「グリーン」な代替手段を提供します^[37][38]。

課題と制約

もし水推進がそれほど優れているなら、なぜすべての衛星がすでに採用していないのでしょうか？どんな新技術にも言えることですが、トレードオフや課題が存在します。

一部のモードでの低推力: 純水レジストジェットスラスターは、化学ロケットと比べて推力がかなり低い傾向があります。水を沸騰させても、それほど速く噴射できません（単純なスチームスラスターの場合、比推力は通常50～100秒程度です ^[39]、^[40]）。これは、小型のキューブサットが微調整を行うには問題ありませんが、マヌーバが遅くなることを意味します。50秒のIspを持つスチームスラスターは、典型的な300秒のヒドラジンスラスターと比べて、インパルス効率が「はるかに悪い」です ^[41]。業界では、プラズマスラスター（500秒以上のIsp）や水バイプロペラント燃焼（約300秒のIsp）^[42]、^[43]など、より高エネルギーのアプローチに移行することでこれに対応しています。それでも、推力対電力比が制限要因となります――水から有意な推力を得るには十分な電力が必要です。小型衛星では電力が限られているため、大きな太陽電池パネルや他の電源を搭載しない限り、推力には上限があります。これが、最良の水イオンエンジンであっても、現時点では急速な軌道変更ではなく、ゆっくりとした軌道上昇に適している理由です。エンジニアは、ミッションのデルタVやタイミング要件が電気式水スラスターで満たせるか、それともより高推力の化学システムが必要かを慎重に検討しなければなりません。

エネルギーおよび熱需要: 水は貯蔵が容易ですが、それを高温ガスやプラズマに変えるには大量のエネルギーが必要です。特に電気分解はエネルギーを多く消費します ― 水を分解するのは本質的に非効率的で、その後ガスに点火する必要もあります。電解装置やヒーターは複雑さを増し、故障の原因にもなり得ます。熱管理も別の課題です：沸騰やプラズマシステムは高温で動作することがあり、冷却が困難な宇宙空間では厄介です。Tethers UnlimitedのHoyt氏は、「水素と酸素、過熱蒸気」を扱う際の材料の課題について指摘しています ― 腐食や汚染によってシステムが容易に劣化する可能性があります^[44]。設計者は電極の汚れを防ぎ、長寿命を確保するために特殊なコーティングや超純水を使用しなければなりません^[45]。これらの課題は徐々に解決されつつあります（より良い材料の使用や、例えば電解装置を燃焼室から隔離するなど）が、信頼性の高いエンジンを作るには何年もの研究開発が必要でした。実際、NASAが1960年代から水ロケットを理論化していたにもかかわらず、これらの技術的障壁のため、「実用的な水電気分解エンジン」が登場したのはごく最近のことです^[46]。

性能と貯蔵のトレードオフ: 水はかさばります。密度はそこそこ高い（1 g/mL、他の多くの液体燃料と同程度）ですが、それ自体には化学エネルギーがありません。つまり、高いデルタVが必要なミッションでは、水推進剤タンクはより高エネルギーな推進剤のタンクより大きくなるかもしれません。水の救いは、先進的なスラスターが外部エネルギーを投入してこれを補えることです。例えば、5 kWを水に投入するマイクロ波電熱スラスターは約800秒のIspを達成できます^[47]、つまり水1滴あたりの性能を引き出せます。しかし、そのような電力レベルは大型宇宙機でしか利用できません。小型衛星ではIspが低く制限されるため、質量あたりの効率は水の方が劣る場合があります。また、軌道上での水の管理という課題もあります：配管やタンクが加熱されていないと凍結したり、予期せず蒸気化すると推力が不安定になったりします。エンジニアは、慎重な熱制御や圧力調整（例えば、水をわずかに加圧して意図的に蒸発させるまで液体のまま保つ^[48]）でこれを緩和します。さらに、水は打ち上げ時には非加圧ですが、システムによっては宇宙空間で加圧したり、電気分解したガスを加圧タンクに貯蔵したりする必要があります。これにより、加圧システムの複雑さが再び導入されますが、それは軌道到達後のことです。ミッションプランナーは推進剤のボイルオフも考慮しなければなりません ― 加熱タンク内の水は、適切に密閉・冷却されていないと長期間のミッションで漏れたり蒸発したりする可能性があります。

飛行実績と信頼性: 2025年時点で、水推進は運用艦隊においてまだ比較的新しい技術です。多くの衛星運用者は「様子見」アプローチを採用しており、技術が実証されていることを確認したいと考えています。HawkEye 360（2018年に水スラスターを飛行）やSonyのStar Sphereプログラム（2023年）のようなアーリーアダプターが信頼構築に貢献してきました^[49]、^[50]。しかし、保守的な顧客は、特に重要なミッションでは、従来の化学スラスターをやめる前に、さらなる実証を必要とするかもしれません。小さなトラブルも発生しています。例えば、NASAのPathfinder Technology Demonstrator-1（PTD-1）ミッション（2021年）は、Tethers社のHydrosスラスターを軌道上で実証することを目指しました^[51]。ミッションは概ね成功しましたが、もし何らかの異常や性能不足があった場合、それらは今後の改良のための教訓となります。注目すべきは、成功したテストも現時点では限られた時間（数分間の噴射）であることです。これらのシステムの長期耐久性（数年間で数百回の噴射）は現在テスト中ですが、宇宙空間で完全に実証されたわけではありません。しかし、Momentusのような企業が軌道上で水スラスターを数十回噴射するなど、状況は急速に変化しています^[52]。新たなミッションごとに限界が広がり、水推進が主流の選択肢に近づいています。その間、エンジニアや規制当局は、これらのスラスターの標準やベストプラクティスを慎重に評価しています（例えば、「水燃料」の衛星が寿命終了時に安全に軌道離脱できるよう、最終的な軌道離脱噴射用に少量の水を確保すること—これは宇宙デブリ対策の要件です）。

要するに、水推進の制約—即時推力の低さ、エネルギー需要、初期段階の開発リスク—により、現時点ではすべてのシナリオにおける万能薬とは言えません。しかし、ここ数年の急速な進歩は、これらの課題が一つずつ克服されつつあることを示しており、次に実際のミッションやプレイヤーの文脈で詳しく見ていきます。

初期のイノベーションと歴史的マイルストーン

水を宇宙推進剤として利用するというコンセプトは、何十年も前から浮上していました。アポロ時代のNASA研究者たちは、宇宙でエネルギーが利用できれば、水を水素／酸素に変換できることを認識していました――これはスペースシャトルを動かしたのと同じ強力な組み合わせです^[53]。しかし20世紀を通じて、このアイデアは設計図の上にとどまりました。貯蔵可能な有毒燃料を使う化学ロケットの方が単に成熟しており、当時の技術ではより高い推力を提供できたからです。衛星の小型化と電力技術の進歩によって、水推進が新たな重要性を持つようになったのは、もっと後のことでした。ここでは、現在の状況に至るまでの主な初期のマイルストーンを紹介します:

• 2011–2017年: CubeSat（10cm角の小型衛星）の登場により、同様に小型で安全なスラスターが求められるようになりました。多くの打ち上げ事業者が化学燃料を二次ペイロードで禁止したため、研究グループはCubeSat用推進剤として水を再び理想的なものとして検討し始めました。2017年、パデュー大学のAlina Alexeenko教授率いるチームが、超純水を使用するマイクロスラスターFEMTA（Film-Evaporation MEMS Tunable Array）を発表しました^[54]。FEMTAはシリコンにエッチングされた10ミクロンの毛細管を利用し、表面張力で水を保持し、ヒーターで沸騰させて微小な蒸気ジェットを噴射します。真空チャンバーでのテストでは、FEMTAスラスターは6～68μNの制御可能な推力と、約70秒の比推力を発生させました^[55], ^[56]。FEMTAスラスター4基（合計でティースプーン1杯ほどの水）で、1U CubeSatを1分以内に回転させることができ、消費電力はわずか0.25Wでした^[57]。これは、非常に低電力のシステムでも水を使って有意義な姿勢制御が可能であることを示す画期的な成果でした。Alexeenkoは、水の魅力は地球周回軌道だけでなく宇宙資源利用にもあると強調しました――「火星の衛星フォボスには水が豊富に存在すると考えられており、宇宙の巨大なガソリンスタンドになる可能性があります… [そして] 非常にクリーンな推進剤です」^[58]。
• 2018年: 軌道上での水推進の初の実用利用が行われました。米国のスタートアップ企業Deep Space Industries (DSI)は、Cometエレクトロサーマルスラスターを開発しました。これは水を沸騰させて噴射し、小型衛星の姿勢制御や軌道変更を行う小型装置です。2018年12月、DSIのCometスラスターは4機の商用衛星に搭載されて飛行しました。3機はHawkEye 360の電波周波数コンステレーション用、1機はCapella Spaceのレーダー画像デモ用でした^[59]。これらの小型衛星は水推進を使って軌道調整に成功し、宇宙で水燃料エンジンが初めて実用稼働した瞬間となりました。同時期、東京大学で開発された日本の3UキューブサットAQT-D (Aqua Thruster-Demonstrator)がISSから放出されました。AQT-Dは2019年末に軌道上で水レジストジェットシステムを試験し、姿勢制御や小規模な軌道変更を実証しました。これは日本による初期の宇宙実証であり、後のPale Blueスタートアップの基礎となりました^[60]。
• 2019年: NASAの水推進への関心が理論から実践へと移りました。Tethers Unlimited社は、NASAのSBIR契約および「Tipping Point」パートナーシップのもと、キューブサット用の飛行準備が整ったHYDROS-Cスラスターを納入しました^[61][62]。NASAはこれをPathfinder Technology Demonstrator 1 (PTD-1)ミッション（6Uキューブサット）に組み込みました。打ち上げは2021年に延期されましたが、このミッションは「宇宙での水ベース電気分解推進システムの初実証」^[63]を目指していました。水推進ペイロードの承認自体が、NASAがその安全性と小型ミッションへの有用性に自信を持っていることを示していました。民間では、DSIは2019年にBradford Spaceに買収され^[64]、DSIの事業は完全に推進システムにシフトしました。BradfordはCometスラスターを小型衛星向けの無毒な代替手段として販売し続け、大手インテグレーターも注目しました。BlackSkyの地球観測コンステレーション製造元であるLeoStellaは、今後の衛星にComet水スラスターを採用することを決定しました^[65]。2019年末までに、その勢いは明らかでした。水推進は研究室の試作機から実際の宇宙機へと移行し、本格的な投資を集めるようになっていました。
• 2020–2021年: いくつかの重要な出来事により、水スラスターは話題の中心となり続けました。ワシントン州を拠点とするスタートアップ企業Momentus Inc.は、水プラズマエンジンを動力とするスペースタグ（軌道輸送機）の大胆な計画を打ち出して登場しました。ロシア人起業家によって共同設立されたMomentusは、「水プラズマ推進」の約束で注目を集めましたが、規制上の障壁により最初の打ち上げは2021年まで遅れました。一方、2020年には日本のスタートアップ企業Pale Blue Inc.が東京大学の研究室からスピンアウトし、日本および世界市場で水推進の商業化を目指しました^[66]。彼らのロードマップには、小型レジストジェットユニットや、水を使用するより高度なイオン・ホール効果スラスターが含まれていました。2021年初頭には、NASAがついにPTD-1（SpaceXのTransporter-1ライドシェアで）を打ち上げ、Hydrosスラスターを搭載しました^[67]。4～6か月のミッション期間中、PTD-1は水燃料を使って軌道変更を行う予定であり、将来の利用に必要な性能と信頼性を実証するものでした^[68]。このミッションは、Tethers社とNASAによる約10年にわたる取り組みの集大成であり、靴箱サイズの衛星でさえ「低コスト・高性能推進システム」を水で実現できることを示しました^[69]。2021年には欧州宇宙機関も水推進の実現可能性に関する調査を完了し、特定のミッション（特に1トン級のLEO衛星）に最適な選択肢として特定、ドイツのOMNIDEA-RTGなどの企業が欧州での開発を開始するきっかけとなりました^[70][71]。

この初期の歴史は、コンセプトの実証と初期導入によって舞台を整えました。次に、水推進を拡大し、その能力を示すミッションを展開している現在のプレイヤーたちを見ていきます。

水推進を牽引する主要プレイヤー

2025年までに、企業や宇宙機関による活気あるエコシステムが、水ベース推進を実証から実運用へと押し上げています。ここでは、注目すべき組織とその貢献を紹介します:

• Tethers Unlimited（アメリカ）＆NASA：Tethers Unlimited（TUI）は、NASAのSBIR資金提供によって開発されたHydros水電気分解スラスターの先駆者でした^[72]。TUIはNASAエイムズ研究センターおよびグレン研究センターと提携し、NASAのPTD-1ミッションでHydros-Cを飛行させ、CubeSatにおける水推進の先駆者となりました^[73]。TUIはまた、NASAのTipping Point契約のもと、50～200kg級衛星向けにより大型のHydros-Mユニットも製造し、スラスターをMillennium Space Systemsに納入してテストを行いました^[74]。NASAの継続的な支援（Small Spacecraft Technologyや今後のOn-orbit Servicingミッションなどのプログラムを通じて）は、安全で再補給可能な宇宙機のための水推進剤に対する同庁の強い信頼を示しています。TUIのCEOであるHoyt氏は、水スラスターが最終的には再補給ポートを備え、Orbit Fabのデポや小惑星採掘事業から補給できるようになると構想しています^[75]。
• Momentus Inc.（アメリカ）： Momentusは、独自のマイクロ波電熱スラスター（MET）を開発しました。これは水を使ってプラズマジェットを生成し、Vigoride軌道移送ビークルに組み込まれています。紆余曲折（米国の規制当局による精査やSPAC合併の遅延など）を経ながらも、Momentusは2022～2023年に複数のVigorideデモ飛行を成功させました。2023年1月のVigoride-5ミッションでは、Momentusが「軌道上でMETスラスターを35回点火してテスト」し、さまざまなユースケースでスラスターの性能を実証しました^[76]。あるテストでは、Vigoride-5が水推進のみで軌道を約3km上昇させました^[77]。取締役のクリス・ハドフィールドは積極的に応援しており、「太陽系内でより多くの水が見つかっている」ため推進剤として利用でき、MomentusのMETは基本的に「電子レンジにノズルを付けたようなもの」で、水をプラズマに変えて推進力を生み出せると強調しています^[78]。Momentusは現在、宇宙内シャトルサービスを提供しており、水の低コストを活かして価格競争力を高める可能性があります。また、水を使ったタグでハッブル望遠鏡の軌道を上昇させ寿命を延ばすといった野心的なプロジェクトも提案しています^[79]。Momentusは商業的な実現性を証明中ですが、軌道上でスケーラブルな水推進システムを複数回実証することで、技術を確実に前進させています。
• Pale Blue（日本）： 東京大学発のスタートアップであるPale Blueは、アジアにおける水推進の注目すべき名前です。2023年3月、Pale Blueの水レジストジェットスラスターがソニーのEYE衛星（Star Sphereプロジェクト）を推進しました。これは日本で民間開発された水エンジンによる初の軌道上噴射でした^[80]。このスラスターは2分間の燃焼を行い、CubeSatの軌道を計画通りに変更し、同社にとって大きなマイルストーンとなりました^[81]。Pale Blueは、PBR-シリーズ（10、20、50）の小型衛星向けレジストジェットモジュールから、今後登場予定のPBI水イオンスラスター、さらには2028年までに計画されている水ホール効果スラスター（PBH）^[82]まで、幅広いスラスターを提供しています。PBR-20スラスター（推力1mN、Isp>70秒）は2019年と2023年の飛行でテストされ、より大型のPBR-50（推力10mN）は2024年初頭に初ミッションで打ち上げられました^[83]。2025年には、Pale Blueが世界初の1Uサイズ水イオンエンジンを2回のD-Orbitライドシェアミッション（6月と10月）で実証する予定です^[84]。日本政府はPale Blueを強力に支援しており、2024年のプログラムでは商業・防衛用途の水ベース推進技術の発展のため、最大2,700万ドルを同社に授与しました（衛星用の無毒推進への国家的関心を示しています）。イタリア企業D-Orbitとの提携や多額の資金調達により、Pale Blueは安全で再充填可能な水システムで小型衛星推進市場の変革を目指しています。
• Bradford Space（米国／欧州）： 2019年にDeep Space Industriesを買収した後、Bradford SpaceはComet水推進装置を引き継ぎ、それ以来複数の衛星ミッションに供給してきました。Cometは「世界初の運用型水推進システム」と謳われており、複数の顧客によって導入されています^[85]。特に、HawkEye 360のパスファインダー衛星やCapellaのWhitneyデモ衛星（2018年）は、軌道維持のためにComet推進装置を使用しました^[86]。シアトル拠点のメーカーLeoStellaも、同社が製造する第2世代のBlackSky画像衛星にCometエンジンを選択しており、Cometの信頼性への自信を示しています^[87]。Comet推進装置は約17mNの推力と175秒のIspを提供し^[88]、電気加熱器で水蒸気を噴射します。Bradfordはこれを、小型・中型衛星向けのヒドラジンシステムの「打ち上げ安全」な代替品として販売しています^[89]。米国と欧州に拠点を持つBradfordは、将来の深宇宙ミッション設計にもComet技術を統合しており（例：提案中のXplorer探査機バスは、小惑星ミッションで深宇宙を水推進で機動できる可能性があります^[90]）。コンステレーションが増加する中、Bradfordの実績ある水推進装置の生産は、非危険性推進を大規模に求める企業にとって重要なサプライヤーとなっています。
• アリアングループ＆ヨーロッパのパートナー（EU）： ヨーロッパでは、大手航空宇宙企業のアリアングループが水ベース推進の分野をリードしており、次世代のLEOおよびMEO衛星への搭載を目指しています。ドイツのランポルツハウゼン拠点で、アリアングループのチームはハイブリッド電気化学式水エンジン（Tethers社のHydrosコンセプトと非常によく似ています）を開発しました^[91]。2023年末には詳細が明らかになりました：このシステムは約90分で水を電気分解し、その後30秒間の二液推進燃焼を行うことができ、全体の比推力は約300秒です^[92]。設計はモジュール式でスケーラブルです ― 電解槽セル、タンク容量、スラスター室の数を増やすことで、さまざまな衛星要件に対応できます^[93]。アリアングループは、このシステムが現在の化学推進方式に比べて「コストが3分の1になる」可能性があると主張しています“three times less costly”（コンステレーション向け）^[94]。ESAおよびDLR（ドイツ宇宙機関）の支援を受け、アリアングループは2026年秋にESMS衛星での軌道上実証を計画しており、水エンジンを使って軌道調整や定点保持を行う予定です^[95]。このデモでは、微小重力下での電解槽の動作と、デュアルモードエンジンの宇宙空間での性能が検証されます。ヨーロッパの投資は、衛星ネットワーク向けに水推進が競争力と持続可能性を持つ代替手段であると見なしていることを示しており、特に今後の「グリーン」推進剤を求める規制強化を踏まえ、打ち上げリスク低減にもつながります。
• その他注目すべきスタートアップ: 上記の大手企業以外にも、世界中で多くのスタートアップが水推進の分野で革新を起こしています。Aurora Propulsion Technologies（フィンランド）は、CubeSat向けの小型ARMシリーズ水スラスターを提供しており、1U～12U衛星の3軸制御を可能にする小型水マイクロジェットモジュールも含まれています^[96]。SteamJet Space Systems（イギリス）は、適切に名付けられたSteam Thruster Oneや“TunaCan”スラスターを開発しており、これらはCubeSatデプロイヤーの未使用空間に収まるコンパクトな電熱式水エンジンです^[97]。これらは少なくとも1つのCubeSatミッションで飛行実証済みであり、ナノサテライトでも少量の加熱水で軌道マヌーバが可能であることを示しています^[98]。フランスでは、ThrustMe（ヨウ素電気スラスターで知られる）がいくつかのコンセプトで推進剤として水を検討しており、イタリアではESA資金提供のスタートアップが小型ロケット上段や軌道タグ向けに水の利用を検討しています。さらに興味深い新規参入企業としてURA Thrustersがあり、水蒸気や酸素を利用できるホール効果スラスター^[99]から、MEMSスケールの水電気分解と燃焼を組み合わせた“ICE”電気分解スラスター^[100]、ホールスラスターと化学エンジンを組み合わせて柔軟な性能を実現するHydraハイブリッド^[101]まで、水推進システムのラインナップを発表しています。これらの一部はまだ設計段階ですが、開発の幅広さは、水推進が一発屋の新奇性ではなく、世界中のイノベーターを惹きつける幅広い技術的ムーブメントであることを強調しています。

Tethers Unlimited社のHYDROS-C水推進システムのCubeSat用飛行プロトタイプ。このコンパクトなユニットには水タンク、電解装置、ガスブラダー、ロケットノズルが含まれています^[102]。このようなシステムは軌道到達まで不活性のままで、太陽光発電を利用して水を水素・酸素推進剤に分解し推力を得ます。

ミッションとマイルストーン: 実際の水推進

近年の実際の宇宙ミッションは、水推進ドライブの実現可能性を証明し、その能力をさらに押し広げ続けています。以下は、水推進を披露した注目すべきミッションや実証実験のタイムラインです:

• 2018年 – 初の軌道利用:HawkEye 360 Pathfinder衛星（3機編隊）およびCapella Spaceレーダー衛星が、それぞれDSIのComet水スラスターを用いて、2018年12月の打ち上げ後に軌道維持を実施^[103]。これらは水推進剤で運用された初の商業衛星となり、軌道上でのマニューバを成功裏に完了し、スラスターの宇宙実証を果たしました。
• 2019年 – ISS展開デモ: 東京大学のAQT-D（アクエリアス）3Uキューブサットが国際宇宙ステーションから放出され、軌道上で水レジストジェットスラスターを噴射。システムは姿勢制御と小規模な軌道変更を達成し、日本初の水推進の宇宙実証となりました。このミッションは、多ノズル水スラスターが微小重力下で機能することを証明し、Pale Blueの後の設計の基礎を築きました^[104]。
• 2021年 – NASA PTD-1:Pathfinder Technology Demonstrator-1（NASAの6Uキューブサット）が、軌道上で初の水電気分解推進テストを実施。約0.5リットルの水を搭載し、PTD-1のHydrosエンジンがプログラムされた推進マニューバを実行。水をH₂/O₂に分解し燃焼させることで、衛星を期待通りに推進できることを実証しました^[105]。数か月にわたるこのミッションは、システムの性能・安全性・再始動能力を検証し、小型衛星に新たな軌道制御の選択肢を提供しました。
• 2022年 – Vigoride初飛行: Momentus社が2022年5月にVigoride-3（初の軌道サービスビークル）を打ち上げ。初期のスラスター試験は限定的だったものの（初期運用でいくつかの異常が発生^[106]）、このミッションは水ベースMETの段階的な試験の足がかりとなりました。Momentus社は通信を確立し、実宇宙環境で新型推進システムの運用を学び、今後の飛行に向けた改良を進めました^[107]。
• 2023年 – 複数の成功: この年は水推進の勝利が相次ぎ、転換点となりました:
  • Momentus Vigoride-5（2023年1月）： 軌道上で水METの35回のスラスター噴射に成功し、水プラズマジェットのみで軌道上昇と姿勢制御を実施 ^[108]。これは、より大型の機体（約250kg）が水推進で有意な軌道変更を行えることの大きな証明となった。
  • Momentus Vigoride-6（2023年4月）： テストを継続し、顧客の軌道投入も完了（ただしソフトウェアのタイミング問題で軌道傾斜にわずかな誤差）^[109]。Vigoride-6は引き続き運用中で、推進システムの信頼性をさらに裏付けている。
  • Pale Blue EYEデモ（2023年3月）：ソニーのEYEキューブサットがPale Blueの水スラスターを約120秒間使用して軌道上昇マヌーバを実施^[110]。このデモの成功により、地球撮影用の目標軌道に衛星を近づけることができ、スラスターの軌道機能が確認され、日本の水推進分野参入として広く報道された^[111]。
  • EQUULEUS（月面、2022年末～2023年）： 一般メディアではあまり報道されていないが、EQUULEUS（JAXA・東京大学のキューブサット、2022年11月Artemis Iで月へ打ち上げ）は、軌道修正用に水レジストジェットシステムを搭載していた^[112]。地球-月ラグランジュ点への航行中に水スラスターで進路修正に成功し、地球低軌道外での水推進を初めて実証した。
• 2024年 – 拡大期： 水推進がより多くの運用衛星に搭載され始める：
  • フリート展開： Hawkeye 360の次期衛星群やCapellaの新型SAR衛星は、引き続きBradford社の支援のもと水ベースのCometスラスターを通常運用で使用。また、BlackSkyのGen-2衛星（2024年打ち上げ）も地球観測コンステレーションの軌道維持にComet水推進を採用^[113]。
  • 新型スラスターの打ち上げ: Pale Blueの大型PBR-50スラスターが、2024年初頭に小型衛星ライドシェアで初打ち上げ（具体的なミッションは非公開）、軌道上のマイクロサット向けに約10mNの推力を提供することを目指しています^[114]。これにより、より大型の小型衛星クラス向けの水推進の認証が始まります。
  • インフラ:Orbit Fabのような企業は、提案中の軌道上推進剤デポの燃料オプションの一つとして水を採用する計画を発表し、NASAのTALOSプロジェクトも深宇宙タグ用の水ベースの「ドロップタンク」を検討しています。これは、今後数年で水が宇宙物流チェーンの一部になるという広範な受け入れを反映しています。
• 2025年 – 今後および進行中: 注目すべきミッションが予定されています:
  • Pale Blue D-Orbitフライト: 初の水イオンスラスター（PBI）が、2025年中頃および後半にD-OrbitのIon Satellite Carrierで飛行試験されます^[115]。これらの試験で高効率推力が測定され、水をキセノンやクリプトンの代わりに使う商用イオンユニットへの道が開かれます。
  • JAXA RAISE-4実験: 日本の宇宙機関は2025年にRAISE-4技術実証衛星の打ち上げを計画しており、Pale Blueの最新推進システム（改良型PBIの可能性あり）を搭載し、低軌道での試験を行う予定です^[116]。
  • Momentusの商用化: Momentusは純粋な試験から運用ミッションへの移行を目指しており、顧客のペイロード輸送を提供する予定です。2025年までに、ライドシェアで投入された小型衛星を希望する高軌道まで運ぶ軌道上昇サービスを、水推進のみで開始することを目指しています。これは水スラスターの経済的実現性を実ミッションで試すリトマス試験となります。
  • ESA水エンジンデモ: ヨーロッパでは、Spectrum Monitoring Satellite（ESMS）ミッション（2026年予定）の最終準備が始まり、2025年には水推進システムの統合と地上試験が行われます^[117]。順調に進めば、このミッションは水を主推進剤として使用する初の本格商用衛星（デモユニットではなく）となります。

このタイムラインは、数年前の単発実験から、現在は複数の宇宙機が水に依存し、さらに多くが計画中であることを示しています。各成功が信頼性と実績を積み重ね、それがさらなる利用者を引き寄せます。2020年代半ばには、水推進は実験段階を脱し、ミッション設計者のツールキットの一部となりつつあります。

小型衛星（ソニーのEYEキューブサット）のアーティストによる描写。2023年にPale Blueの水ベースのレジストジェットスラスターを使用して軌道を調整した。^[118][119]。このデモンストレーションは、日本のスタートアップによる宇宙空間での水推進の初使用となり、衛星の軌道変更によってスラスターの性能が確認された。

最新のブレークスルー（2024～2025年）と今後の展望

過去2年間で急速な進歩が見られ、この傾向は今後も続く見込みだ。2024～2025年の最近のニュースと動向は、水推進が新たな高みへと到達していることを示している。

• 資金調達と業界の支援: 無毒推進の戦略的価値が認識され、政府機関が水スラスターに投資している。2024年には、日本の経済産業省（METI）がPale Blueに商業・防衛衛星向けの水推進技術拡大のため、数十億円（最大約2,700万ドル）の助成金を授与した。^[120]。この資金注入により、Pale Blueは推力レベルを高め、より大型の衛星に適したシステムの開発が可能となる。ヨーロッパのHorizonプログラムも同様にグリーン推進剤ソリューションに資金を提供しており、水ベースの設計が中心となっている。これはESAがArianeGroupの2026年デモを支援していることからも明らかだ。^[121]。米国国防総省（DoD）も、Space Forceプロジェクト向けの安全なキューブサット推進に関心を示しており、水の安全性がセールスポイントとなっている。
• 高出力スラスター: 技術面では、開発者たちは水エンジンの高出力化と高性能化を推し進めています。今後のブレークスルーの一つが、水ホール効果スラスターです。これはホールプラズマエンジンの効率性と水推進剤を組み合わせたものです。Pale Blueが2028年に計画しているPBHスラスターがその一例であり^[122]、URA ThrustersのコンセプトであるHydraシステム（デュアルホール＋化学推進）ももう一つの例です^[123]。これらが実現すれば、現在は化学推進や大型電気スラスターでしか対応できないような、急速な軌道変更や惑星間軌道などのミッションも、水による簡単な再補給の利点を活かしつつ実行できるようになります。さらに、Momentusなどは、より高いマイクロ波周波数や新しい共振キャビティを用いて水をより効率的に過熱することで、METのISPをさらに高める方法を研究しています。次世代では比推力約1000秒も射程圏内に入りつつあり、これにより水スラスターは効率面で従来のイオンドライブと肩を並べる存在となるでしょう。
• コンステレーションへの統合: 2024年には、衛星コンステレーションにおける水推進の繰り返し導入が初めて本格的に行われました。例えば、すべての新しいBlackSkyイメージング衛星には、軌道維持用としてBradford Comet水スラスターが搭載されており、今後数十機の同一衛星が生涯にわたり水推進剤で運用されることになります^[124]。また、Hawkeye 360の第2世代クラスター（2022～2023年打ち上げ）も、編隊飛行のために水ベースの推進を使用しています。このような主流での採用自体が大きなブレークスルーであり、水推進はもはや一度きりの実験ではなく、一部の衛星群では標準コンポーネントとなっています。今後、IoTや地球観測向けの多くのメガコンステレーション計画でグリーン推進の選択肢が検討されており、システムコストの低さから水が有力候補となっています。これらのスラスターの生産が拡大すれば、単価も下がり、さらなる普及が促進されるでしょう。
• 新しい応用例: エンジニアたちは水の多用途性を活かす創造的な新しい方法を見出しています。現在開発中のアイデアの一つは、電気分解を利用した姿勢制御です。ごく少量の電気分解ガスを使って精密な姿勢ジェットを噴射し、その後水に再結合させるというクローズドループ方式です。もう一つは、太陽熱推進の作動質として水を使う方法です。太陽光を集めて水を直接加熱し、蒸気として推進力を得ます（本質的には宇宙空間の蒸気ボイラーで、太陽によって動力を得るため、太陽系内側では非常に効率的になり得ます）。研究者たちはまた、月や火星の着陸機やホッパー用の水ベース推進剤もテストしています。NASAのルナ・フラッシュライト・ミッション（最終的には問題が発生しましたが）も、設計初期段階で水を推進剤の候補として検討していました。さらに将来的には、原子力熱ロケットやビームエネルギー推進の推進剤として水が使われる可能性もあります。これらは外部電源（地上設置型レーザーなど）で宇宙船上の水を加熱し推進力を生み出す方式です^[125]。水の無害な性質が、毒性や希少な推進剤では考えられなかった型破りなコンセプトを可能にしています。
• 専門家の支持: 水推進革命は宇宙産業のリーダーたちにも注目されています。クリス・ハドフィールドがMomentus社の水スラスターを熱心に支持していること^[126]や、欧州のプロジェクトマネージャーによる「私は水が未来の燃料であると確信している」という発言^[127]は、この技術が定着しつつあるという業界の合意の高まりを反映しています。インタビューやカンファレンス（2024年のSmall Satellite ConferenceやSpace Propulsion Workshopなど）でも、専門家たちは水システムが提供する安全性と性能のバランスを称賛しています。「優れた推進性能は安全性とのバランスが必要です――PTD-1はこのニーズを満たします」と、NASAのデイビッド・メイヤーは最初の水スラスター実証を紹介した際に述べました^[128]。この発言は、水が注目を集めている理由を端的に表しています。すなわち、化学推進の高性能と電気推進の安全性、その両方の“いいとこ取り”ができるからです。宇宙ミッションの計画者たちも、業界誌やパネルディスカッションでこの意見にますます同調しています。

2025年の今、ウォーター推進式衛星ドライブの進路は明らかに上昇傾向にあります。次の大きな一歩は、水推進を本格的に活用したフラッグシップミッションとなるでしょう。たとえば、水を使って月周回軌道に入るキューブサットや、デポから自律的に燃料補給し衛星を牽引するサービス機などが考えられます。毎年、限界が押し広げられています。現在の傾向が続けば、2020年代後半には水ベースのエンジンが宇宙船を小惑星まで往復させたり、数百基の衛星を軌道上で昇降させたり、環境負荷を最小限に抑えつつ宇宙空間で完全に再補給可能にしたりする光景が見られるかもしれません。かつては型破りなアイデアだったものが、今や宇宙運用をこれまで以上に手頃で、持続可能で、柔軟にする実用技術へと成長しました。

結論：H₂Oが切り拓く新時代

水推進式衛星推進はもはや未来の概念ではなく、今ここで、一つ一つのミッションでその実力を証明しています。わずか数年の間に、最初の水蒸気の噴射で小さなキューブサットを押し出す段階から、水を使って軌道変更や複雑な運用を行う完全可動型宇宙船へと進化しました。究極の宇宙推進剤としての水の魅力は、その洗練されたシンプルさにあります。ESAの技術レポートが指摘したように、水は「過小利用されている資源であり、取り扱いが安全でグリーン」でありながら、「電気分解すれば非常に可燃性の高い2つの推進剤を含む」、つまりロケット燃料の威力を無害な形で内包しているのです^[129]。この二面性――液体としての容易な保管と、気体としての高エネルギー利用――が水に独自の優位性を与えています。

今、私たちは水推進が実用化するための要素が収束する瞬間を目撃しています。小型電動ポンプやヒーターの進化、それらを駆動する高効率ソーラーパネル、蒸気やプラズマに最適化された3Dプリントスラスター、小型衛星の低コスト推進需要の急増などです。課題（推力の制限や電力需要）は革新的なエンジニアリングで克服されつつあり、成功例も増えています。重要なのは、水推進が宇宙の持続可能性という大きな流れと合致していることです――有害な化学物質の削減、燃料補給による衛星寿命の延長、さらには地球外資源の活用まで。水は単なる生命維持用消耗品から、宇宙インフラの多用途なモビリティ実現手段へと変貌しつつあります。

一般のイメージでは、「ロケット燃料」といえば常に何か特別で危険なものという印象がありました。水――私たちが飲んだり浴びたりするあの物質――が、衛星を地球やその先へと送り出すという発想は人々を惹きつけます。これは宇宙開発への参入障壁を下げ（特殊な燃料は不要で、必要なのは創意工夫だけ）、宇宙船が月の氷鉱山や小惑星の貯蔵庫で燃料補給する未来像をも想起させます。技術はまだ進化の途上ですが、その進路を見る限り、水推進ドライブは衛星におけるバッテリーモーターのように一般的な存在になるかもしれません。ある業界幹部が冗談めかして言ったように、「水を加えるだけ」という古いジョークが、宇宙旅行の未来にも当てはまる日が来るかもしれません。

結論として、水を動力とする衛星推進は、より安全でクリーン、そして最終的にはより広範な宇宙活動へのパラダイムシフトを示しています。小型のキューブサットから将来の惑星間探査機まで、H₂Oという控えめな分子が、私たちをさらに遠くへ連れて行くための適切な資質を持っていることが証明されています。勢い（文字通りの意味でも）を増し続ける中、次の見出しがこうなるのを見ても驚かないでください：「水で動く宇宙船が月に到達――そしてさらに進み続ける」。水ロケットの時代が幕を開け、次世代の宇宙探査に無限の可能性をもたらしています^[130]、^[131]。

References

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