宇宙旅行は多くの課題に直面しており、その中でも最も重要な課題は、宇宙船が打ち上げ時に全ての燃料供給を持ち運ぶ必要があることです。これは、ロードトリップのために過剰に荷物を詰め込むようなものです。しかし、将来のミッションでは途中で給油が可能になるのでしょうか？アメリカ航空宇宙局（NASA）は最近、「軌道給油所」の構築に関する重要なマイルストーンを明らかにしました。NASAは、将来の深宇宙探査ミッションが軌道上の推進剤タンクで給油できるように、冷耦合器（cryocoupler）と呼ばれる専用機器を開発・テストしています。この専用ハードウェアは、宇宙船と軌道推進剤タンクを安全に接続し、液体水素や液体酸素などの超低温液体を自動的に移動させることを目的としています。これらの液体は、数百度のマイナスの温度に保たれる必要があります。
NASAマーチャル宇宙飛行センターの冷耦合器プロジェクトマネージャー、トラビス・ベルチャーは次のように述べています。「二つの宇宙船の間での軌道冷凍給油はまだ実現しておらず、これは宇宙飛行における最も困難な工学的課題の一つです。これらの推進剤の移動は、NASAが将来行うことを希望するミッションにとって極めて重要であり、超低温推進剤を扱える耦合器の開発は、その能力を実現するための重要なステップです。」
NASAは将来の宇宙ミッションを促進するために冷耦合器を開発中
冷耦合器のテストプロセスでは、真空中で冷凍液体を移動させることが非常に困難であり、特に液体水素や液体酸素を扱う際にはそうです。これらの物質は、安定性を保つために数百度のマイナスの温度に保たれなければなりません。シールが失敗したり、材料が熱衝撃で脆くなって破裂したりすると、ミッション全体が危険にさらされます。アルテミス計画の宇宙発射システムロケット用に設計された地上給油ハードウェアは、軌道環境で機能することはできません。これらの耦合器は重く、打ち上げ時の激しい振動の中で脱離できるように設計されています。軌道上では、より軽量でクリーン、かつ完全に自動化された機器が必要です。
新しい冷耦合器は、L3Harrisと共同で開発されており、軌道上の給油ポンプノズルの等価物となることを目指しています。これにより、二つの宇宙船を接続し、それらの間に安全で漏れのない橋を作ることができるようになります。ベルチャーは次のように述べています。「私たちが開発している冷耦合器は、何度も接続と切断が可能であり、完全に自動化されているため、宇宙飛行士が推進剤を移動させるために宇宙遊泳を行う必要はありません。これらは宇宙環境に耐えるよう厳密に設計されており、予想されるタンクに合わせてサイズ調整が行われています。」
最近、NASAマーチャル宇宙飛行センターで行われたテストでは、エンジニアがロボットプラットフォームを使用して、軌道上で二つの大型運動宇宙船をドッキングする現実的な課題をシミュレートしました。宇宙では、宇宙船が完璧に整列することはほとんどありません。そのため、チームは意図的に不整列のドッキングシナリオを作り出し、わずかにずれた状態でも耦合器が調整され、しっかりと接続され、シールを保つことができることを証明しました。これらのテストは、将来の基盤を築くものです。
NASAとL3Harrisの共同チームは、冷耦合器に対して熱テストも実施し、さまざまな接続および切断の設定で液体窒素を流し、温度は-321華氏度に達しました。これらのテストでは、ハードウェア、シール、および流体が極端な熱収縮と推進剤と耦合器材料の間の強い温度差の下でどのように機能するかを評価しました。現在のテストは基礎的な作業であり、概念の実現可能性を証明するものでありますが、始まりに過ぎません。NASAは、これらの設計に対して反復を行い、今後の月面および火星構造の具体的な要件を満たす予定です。