地球の周りを周回している人工衛星は約15,000機ある。これらの大半は、国際宇宙ステーションやハッブル宇宙望遠鏡と同様に、地表から最大で約1,200マイル（約2,000km）までの高度に位置する低軌道、すなわちLEO（低地球軌道）に存在している。
しかし、LEOにはますます多くの人工衛星が打ち上げられている。例えば、SpaceXのStarlinkインターネット衛星コンステレーションだけでも、最終的には数千機以上の衛星を追加投入する計画である。その結果、この領域はやや過密状態になりつつある。
そのため、地球にさらに近い別の軌道が注目されている。この混雑を緩和する可能性を持つ軌道が、VLEO（超低地球軌道）である。VLEOは地表からわずか60〜250マイル（約100〜400km）の高度に位置している。
地球外への人類の活動領域を拡張する技術を開発しているエンジニア兼大学教授として断言できるが、VLEOにある人工衛星は、より高高度の衛星に比べて多くの利点を持つ。VLEO衛星は、より高解像度の画像、高速通信、優れた大気科学データを提供できる。なお、筆者はVLEOおよび宇宙向け指向性エネルギー技術の商業化を目指すVictoria Defenseの共同創業者兼共同所有者でもある。
VLEOの利点
VLEO衛星から得られる画像は、より高高度の衛星よりも地球をはるかに鮮明に観測できるため、解像度が高い。これは、絵画に近づくほど細部がよく見えるのと同じ理屈である。この特性により、農業、気候科学、災害対応、軍事監視といった分野で、より精細な画像が得られる。
通信においても、エンドツーエンドの遅延が小さくなるため、電話やインターネットなどのリアルタイム通信に適している。信号の伝搬速度自体は変わらないが、移動距離が短いため、遅延が減少し、通信がより滑らかになる。
多くの気象予報は、地球上空の雲の画像に依存している。より低い高度から撮影することで、解像度が向上し、予測に利用できるデータ量も増加する。
これらの利点から、政府機関および産業界は、VLEO衛星の開発に取り組んでいる。
最大の障害：大気抵抗
これまで、この高度の軌道が長期的な人工衛星運用に避けられてきた理由は主に1つである。それが大気抵抗である。
宇宙は真空だと考えられがちだが、実際にはどこから宇宙が始まるのかは明確ではない。一般的には、高度約62マイル（100km）に位置するフォン・カルマン線が宇宙の始まりとされているが、そこに明確な境界があるわけではない。地球から離れるにつれて、大気は徐々に薄くなるのである。
VLEOおよびそれより低い高度では、大気は依然として十分な密度を持ち、人工衛星の速度を低下させる。その結果、最も低い高度の衛星は、数週間から数日で軌道を離脱し、地球に落下して燃え尽きることになる。この大気抵抗に対抗して軌道を維持するには、自転車で向かい風の中を走り続けるのと同様に、人工衛星は常に推進力を発生させ続けなければならない。
宇宙空間での推進にはスラスターが用いられるが、VLEOではそれらをほぼ常時作動させる必要がある。そのため、従来型のスラスターでは燃料が急速に枯渇してしまう。
しかし幸いなことに、VLEOの高度では、大気そのものを燃料として利用できる程度の密度が残っている。
革新的なスラスター技術
ここで筆者の研究が関係してくる。Penn Stateでは、Georgia Techと協力し、米国防総省の資金提供を受けて、高度43〜55マイル（70〜90km）での運用を想定した新しい推進システムを開発している。これらの高度は、技術的にはVLEOよりさらに低く、大気抵抗を克服する難易度は一層高い。
この方式では、スクープを用いて大気を取り込み、自転車をこぎながら口を大きく開けるように空気を集める。その後、高出力マイクロ波で取り込んだ大気を加熱し、ノズルから噴射することで推進力を得る。この概念は空気吸入型マイクロ波プラズマスラスターと呼ばれている。研究チームは、高度約50マイル（80km）相当の大気圧を再現した真空チャンバー内で、試作スラスターの動作実証に成功している。
この方式は比較的単純でありながら、特に大気密度の高い低高度で大きな可能性を持つ。より高い高度では、他の研究者が開発している異なる種類のVLEO用スラスターと組み合わせることで、広い高度範囲をカバーできると考えられる。
推進技術の研究は、筆者のチームだけが行っているわけではない。例えば、U.S. Department of Defenseは、防衛関連企業のRed Wireと連携し、大気吸入型推進技術を搭載したVLEO衛星Otterを開発している。
また、VLEOで衛星を維持する別の方法として、筆者が長年研究してきた技術に、長いテザーで低軌道の衛星を高軌道の衛星につなぐ方式がある。NASAはこれまでこの方式を実運用したことはないが、1990年代に実施されたテザー衛星システムの後継計画では、スペースシャトルから非常に低い軌道へ衛星を投下し、長いテザーで接続する構想があった。現在、この方式をVLEO向けに改良した形で再検討している。
その他の課題
大気抵抗の克服は最大の課題だが、それだけではない。VLEO衛星は、非常に反応性の高い原子状酸素に強くさらされる。この物質は、多くの材料、プラスチックでさえも急速に腐食させる。
さらに、人工衛星は大気中を高速で移動することによる摩擦熱で、2,732°F（約1,500°C）を超える極めて高温に耐えなければならない。これは、すべての宇宙機が軌道から大気圏へ再突入する際に生じる現象である。
それでもなお、VLEO衛星の潜在能力は研究と投資を強く後押ししており、提案段階にあったミッションは現実のものとなりつつある。Juniper Researchによれば、今後わずか3年間で2,200億ドルが投資される見込みである。近い将来、インターネット通信、気象予報、安全保障は、VLEO衛星によってさらに高度化される可能性がある。