ライナーレス全複合材球形クライオタンクの設計：宇宙推進剤貯蔵への挑戦

宇宙打ち上げ機には大量の燃料と、それを貯蔵するタンクが必要です。酸素、水素、窒素といった典型的なロケット推進剤は常温でガスとして貯蔵可能ですが、ガスは密度が低いため、打ち上げに必要な量を確保しようとすると極めて大型のタンクが必要となり、機体重量の増加とペイロード能力の制約を招きます。これらの推進剤は液体として高密度で貯蔵するのが理想的ですが、多くの一般的推進剤は超低温（クライオジェニック、一般に-150℃ / -238°F以下）まで冷却しなければ液体として存在できません。

この課題に対応するため、Infinite Composites Technologies（ICT、米国オクラホマ州タルサ）は2020年4月、ロケット推進宇宙打ち上げ機用のクライオジェニック推進剤貯蔵向けに、球形・ライナーレス・全複合材のクライオタンク（耐圧容器）を開発したと発表しました。

ライナーレス（タイプV）圧力容器への挑戦

ライナーレス、すなわちタイプV圧力容器は、炭素繊維複合材高圧貯蔵タンクの設計において長年の目標とされてきました。従来のタイプI〜IVの圧力容器は、最低限、貯蔵ガス/液体と複合材外層の間にライニングとして金属を含んでいました（タイプIV）。金属部品を排除することでタンク重量を大幅に削減でき、宇宙機燃料タンクの場合、打ち上げコストの削減またはペイロード能力の向上につながります。

しかし、液体窒素や液体酸素といったクライオジェニック燃料向けの全複合材設計では、ラミネート内のマイクロクラッキングという難題が生じます。複合材ラミネートがクライオジェニックレベルまで冷却されるような極端な温度環境にさらされると、各プライ間の熱膨張係数（CTE）の差異がクラックと漏洩を引き起こします。多くの樹脂系もクライオジェニック温度で脆くなり、問題を悪化させます。ICTのCEOマット・ビジャレアル氏によれば、同社はこのマイクロクラッキング問題を解決したライナーレスクライオタンクを開発しました。

ビジャレアル氏によると、全複合材クライオジェニック貯蔵タンク、特に設置面積の小さい球形タンクは、宇宙での長期探査と生存を可能にするキーテクノロジーと見なされています。NASAなどの宇宙機関が開発中の多くの月着陸船に球形タンク設計が採用されていますが、これまでの球形タンクはすべて、より重く燃費効率の悪い金属製球体、または球形金属ライナー付き複合材巻き立て圧力容器（COPV）でした。ICTの全複合材タンク「CryoSphere」は、燃料貯蔵用により軽量で燃費効率の良い選択肢を提供します。

レーシングカーからロケットへ

クライオタンク開発以前、ビジャレアル氏とビジネスパートナーのマイケル・テイト氏は、オクラホマ州立大学（米国オクラホマ州スティルウォーター）在学中に複合材圧力容器設計のキャリアをスタートさせました。2008年、同校の小規模フォーミュラSAEチームに参加し、国際フォーミュラSAE大学対抗エンジニアリング・デザイン競技会に向けた1/4スケールのフォーミュラワン型車両設計に取り組みました。地元天然ガス企業からの資金獲得のため、車両を圧縮天然ガス（CNG）仕様に改修しましたが、使用した全金属製CNG貯蔵タンクが重すぎて燃費に悪影響を及ぼし、競技会の24時間耐久レース中に何度も給油が必要でした。

「レース後、調査を進めると、タンク質量がクリーン輸送エネルギーと宇宙探査の両分野でキーテクノロジーとなっており、多くの産業で主要な課題であることがわかりました」とビジャレアル氏は語ります。

より軽量なCNGタンクを実現する技術を研究する中で、ビジャレアル氏とテイト氏は、業界で「圧力容器の聖杯」と称されるタイプV・ライナーレス複合材タンクのコンセプトを構想し始めました。2008年後半、CleanNG LLCを設立し、当初は天然ガス貯蔵用高圧タンクの開発を目指しました。2013年以降、同社の円筒形全炭素繊維複合材infiniteCPV圧力容器は、地上・産業用途で圧縮天然ガスの貯蔵に使用され、次第にクリプトン、窒素、ヘリウムなどの圧縮ガス貯蔵にも採用されるようになりました。

圧力容器設計の継続的改良の中で、宇宙機開発企業からCleanNGへ研究開発資金提供の打診が相次ぎ、同社タンクの宇宙機搭載版開発が進みました。「やがて、宇宙分野でのビジネスケースの方が魅力的になりました」とビジャレアル氏は振り返ります。

2016年、社名をInfinite Composites Technologiesに変更し、以降は主に商業宇宙プロジェクトに注力していますが、ビジャレアル氏によればロケットモーターケーシング、軍用機、無人航空機など防衛用途も手がけています。この転換の一環として、円筒形infiniteCPVタンク設計が複数のロケット打ち上げ機に搭載され、2020年の飛行が予定されています。

CryoSphereは、オリジナルのinfiniteCPVタンクを進化させたものだとビジャレアル氏は説明します。

CryoSphereの開発

ICTの焦点が宇宙機ニーズへシフトする中、ビジャレアル氏は「複合材クライオタンクの実現こそが真の課題だと気づきました」と語ります。クライオジェニックタンク（クライオタンク）は、高圧だけでなく、液体窒素、液体酸素、液体メタンなど、宇宙打ち上げ機の燃料・酸化剤として用いられる超低温（華氏-200度以下、摂氏約-130度以下）にも耐えられるよう特別に設計された耐圧容器です。

同社はオクラホマ州に資金申請し、2013年に科学技術振興センター（OCAST）から3年間で30万ドルの助成金を獲得、クライオタンクコンセプトの材料特性評価と材料レベル試験を実施しました。「プロジェクトは中程度の成功でした」とビジャレアル氏。「有望な材料候補が見つかり、コンセプトを前進させ、他の申請へつなげられる手応えを得ました。」

2018年、ICTはNASAジョンソン宇宙センター（米国テキサス州ヒューストン）へクライオタンクコンセプトを提案し、後に月着陸船デモ機向け複合材クライオタンクの迅速開発プロジェクトを開始しました。この車両は、NASAの従来型「モーフィアス」垂直離着陸（VTVL）試験機と類似していたといいます。タンク性能要件には、液体窒素（LN2）を100psiで10サイクル耐えること（-290°F / -179℃まで降温後、常温へ復帰）、各LN2サイクル間の30分間ヘリウムチェックで圧力低下10psi以内、サイクル後のクライオバースト試験で1,000psi（±100psi）耐えることが含まれていました。

円筒形クライオタンクでの第一ラウンド試験は部分的成功に終わり、5サイクルしか生き残れませんでした。「プロジェクトを加速し、約8週間で設計を見直しました」とビジャレアル氏。「猛烈なラッシュでした。数回の熱サイクルは生き残ったものの、その後リークが発生し始めました。」問題はラミネート内のマイクロクラッキングでした。チームは試験を完了し、「再び製図板に向かいました」とビジャレアル氏。

「核心技術は材料にあります」とICTエンジニアリングマネージャーのエフレン・ルエバノ氏。CryoSphereは、東レ（東京）T800カーボンファイバーとエポキシ樹脂を用い、フィラメントワインディングで製造、室温硬化後、ICTタルサ工場の工業用オーブン（オートクレーブではない）で後硬化処理を行います。

マイクロクラッキング解決に向け、ICTは独自の化学的靭化エポキシ樹脂マトリックス内での複数種類の添加剤を様々な濃度で反復試験しました。この過程で、2つの添加剤の組み合わせが熱的要件をクリアすることを発見しました。そのうちの一つがグラフェンです。

「今回のケースでは、グラフェンをナノスケールでの機械的補強材として使用しています」とビジャレアル氏。「グラフェン血小板が繊維間の空間に広がり、ラミネート内でのクラック発生を阻害する障壁となります。また、層間の結合強度も向上させます。」

「タンク加圧時に繊維を所定位置に保持し、荷重を繊維に伝達することが狙いです」とビジャレアル氏は説明します。低温では樹脂が脆くなり破断し始めます。圧力が繊維にかかると、繊維同士が滑り始め、層間の化学結合を破壊します。グラフェン血小板は繊維層間の機械的補強材として働き、移動と破断の可能性を低減させます。

さらにもう一つの独自添加剤もマトリックスに配合され、低温でのラミネート靭性向上と断熱性付与を実現しています。マイクロクラッキングに加え、「断熱性もこれらクライオタンクの課題の一つです」とビジャレアル氏。試験では、グラフェン強化樹脂を採用した新設計CryoSphereに液体窒素を充填すると、「外観上の冷却兆候が現れるまでほぼ1時間かかりました」。特に要件はありませんでしたが、従来試験タンクでは液体窒素充填から10分以内に外表面に霜が生じていたといいます。

クライオジェニック適合性に加え、ルエバノ氏は球形設計自体も課題だったと付け加えます。ビジャレアル氏によれば、球形の利点は、月着陸船のような厳しいサイズ制約のある用途で優れたパッキング効率を発揮することです。しかし課題もありました。球面上での製造時スリッページリスクが円筒面より高かったのです。これは必要な巻き付け角度と、マンドレル表面仕上げが十分な摩擦を生み出せず、湿潤含浸繊維を固定できなかったことが原因で、繊維制御とレイダウンがより困難になりました。また、使用したパターン設計ソフトウェアが円筒向けに最適化されており、通常のワークフローでは球体用の実現可能なパターンを生成できませんでした。「創造的な回避策が必要でした」とビジャレアル氏。

球形設計はマイクロクラッキング問題の緩和にも意図せず貢献しました。初期設計イテレーションで、タンク底部と頂部の間に約150°F（約65℃）の温度差があることが判明しました。これは液体窒素充填に1時間かかるため、タンク下半分の液体窒素が-290°F（-179℃）にある一方、上半分の気体窒素は-140°F（-95℃）しかないためです。「ラミネート内でこのような急激な温度勾配があると、部分ごとに異なる伸縮率で動こうとして破断を招きます」とビジャレアル氏。小型球形タンクではこの上下の温度勾配が緩和され、温度格差の低減に寄与します。

最適化設計を得て、ICTは2019年末にNASAケネディ宇宙センター（米国フロリダ州ケープカナベラル）と契約を結び、『モーフィアス』着陸船用円筒タンクの半分スケールとなる球形クライオジェニックタンク2基を納入しました。「我々のCryoSphereは、ヘリウムチェックを各サイクル間に挟みながら、すべての熱サイクル試験を完了しました。マイクロクラックが発生していないことを確認しています」とビジャレアル氏。「我々の知る限り」と同氏、「この契約を争っていた他の3ベンダーは、我々が試験を完了した時点で、まだ最初のプロトタイプすら作れていませんでした。」

宇宙飛行への次のステップ

試験は継続中です。ICTはNASAのMISSEプログラム向け資金も獲得しました。これは材料を国際宇宙ステーション（ISS）へ打ち上げ、実験目的に供するものです。为此、ICTは直径2.5インチ（約6.35cm）の球体を作製しました。これは主に試験用サイズですが、ロボット用空気圧システムなどへの応用可能性もあるとビジャレアル氏。「奇妙なことに小さな手榴弾のように見えます」と同氏。2020年2月、NASAラングレー研究センター（米国バージニア州ハンプトン）へ5基のCryoSphereを納入しました。ISSへのMISSE打ち上げは当初2020年8月予定でしたが、おそらく11月まで延期されたとビジャレアル氏。ISS到着後、CryoSphereはステーション外部に設置され、放射線センサーを取り付けた状態で約6ヶ月間、地球周回軌道上で直射日光と熱・放射線環境下での材料耐久性が試験されます。試験成功時はCryoSphereが回収され、追加のクライオジェニック試験と放射線曝露影響評価が行われます。主な懸念は樹脂中の化学結合への影響です。

その後、次のステップは飛行認定です。ビジャレアル氏によれば、ICTはすでに米国航空宇宙学会（AIAA）S-081B規格の調整版を用いた認定試験の約半分を完了しており、2020年第3四半期末までに残りの試験完了を見込んでいます。

同社はタンクサイズを直径48インチ（約1.22m）までスケールアップする計画も持っています。これはNASAが開発中の商業月着陸船で指定されているサイズです。また、CryoSphereの月面輸送に向けたパートナーシップ構築も進めています。

「我々のチームは、全複合材タンクで可能なことの限界を押し広げています」とビジャレアル氏は結びます。「この技術は、宇宙探査と持続可能な輸送に革命をもたらす可能性を秘めています。」