マイクロプローブの群れで太陽系を探査する

私たちが探査してきた太陽系のあらゆる場所を、じっくりと眺めてみるのもいいものだ。月が最初に訪れ、その後数十年にわたって水星、金星、火星、木星、土星、天王星、海王星、そして遠く離れた冥王星にまで探査機を送り込んできた。また、小惑星帯の住人やいくつかの彗星も探査してきた。

これは印象的なリストだが、それでもまだ訪れていない天体の数に比べれば遥かに少ない。マイクロプローブの大群は、我々の到達範囲を広げる手助けになるだろうか？新しい研究によれば、小さなソーラーセイル型マイクロプローブは、OSIRIS-RExが行ったよりも早く小惑星ベンヌへの往復を完了できる可能性がある。

カリフォルニア大学バークレー校の研究チームは、ソーラーセイルで動くマイクロプローブの艦隊が、宇宙探査における次の大きな飛躍になるかもしれないと述べている。これらの小型探査機の重さはわずか10グラム（0.35オンス）で、太陽からの圧力だけで動力を得ることができる。

詳細は『Acta Astronautica』誌の新しい論文に掲載されている。タイトルは “BLISS: Interplanetary Exploration with Swarms of Low-Cost Spacecraft“である。筆頭著者は、カリフォルニア大学バークレー校の機械工学博士課程の学生、Alexander Alvara氏だ。

「The Berkeley Low-cost Interplanetary Solar Sail（BLISS）プロジェクトは、携帯電話技術やその他の技術進歩による小型化によって、宇宙で前例のない能力が可能になることを実証することを目的としている」と著者らは論文に書いている。

これらの小さな探査機はソーラーセイルであるが、太陽からやってくる荷電粒子の流れである太陽風からエネルギーを得ているわけではない。その代わり、ソーラーセイルは太陽からの放射圧からエネルギーを得ている。太陽は複数の波長にわたってその圧力を及ぼしている。惑星協会のLightSailが証明しているように、太陽圧力セイルは機能する。

LightSailはテストミッションで、地球の軌道を短時間周回した後、計画通り大気圏に再突入した。LightSail 2のミッションでは、ソーラーセイルが軌道を上昇させることができることを実証することに成功した。

しかし、小さなソーラーセイル宇宙船の艦隊を太陽系に送り出すことは、より過酷な努力である。しかし、エレクトロニクスの小型化が進んでいるため、マイクロプローブはますます魅力的で実現可能なものになっている。

カリフォルニア大学バークレー校のKristofer Pister教授（電気工学・コンピューター科学）は、BLISSの取り組みを率いている。UCメディアとのインタビューで、Pisterと主執筆者のAlvaraは、BLISSプログラムの動機について説明し、ソーラーセイルが他のタイプの宇宙船よりも優れている点について、コスト面も含めて語った。

BLISSプログラムの動機は、地球近傍小惑星（NEA）にある。直径1km以上のNEAは約1,000個あるが、我々はそのうちの10個程度の写真しか持っておらず、そのほとんどは素晴らしい写真ではない。「私たちは、iPhoneのカメラでこれらの小惑星の周りを周回し、非常に近い距離から高解像度のカラー写真を1000枚撮影し、その情報をビームダウンできるというアイデアに興奮しました」とPister教授は語った。

その論文の中で、Pister氏と他の著者は、”この仕事のミッション目標は、地球衝突軌道から抑止される見込みのある小惑星と、太陽系内で有機物や生命を保有する能力を持つ小惑星を特定する目的で、撮像のためにNEOに100から1000の低コストの小型ソーラーセイル探査機を配備することである”と書いている。

その使命を果たすために、ソーラーセイルには他の宇宙船にはない利点がある。また、燃料も必要ない。「他の宇宙船と違って、ソーラーセイルは燃料を積んだり、燃料補給の心配をすることなく、銀河系、もっと言えば太陽系を旅することができる」とAlavara氏は言う。

BLISSマイクロプローブのもう一つの利点は、その小さなサイズである。「サイズが小さいと、探査機はより機敏に動ける。わずか1平方メートルのセイルの座屈を心配する必要はありません」とAlavara氏は言う。大きな宇宙船には大きなセイルが必要で、大きなセイルには、広げたり向きを変えたりするときに座屈を防ぐためのサポートが必要だ。ソーラーセイルは、ロケットから放出された後に広げる必要があり、それには複雑な装置が必要だ。マイクロプローブはわずか10グラムなので、セイルの大きさは1平方メートル（10.7平方フィート）で済む：32平方メートル、つまり340平方フィートだ。

このマイクロプローブは、大型の宇宙船よりもはるかに安価であり、宇宙船の設計において重要な特徴である。「すべてうまくいけば、ソーラーセイルのコストは1000ドル以下になるでしょう」とピスターは言う。「何千ものこの小さな宇宙船を、小型衛星サイズの小さなパッケージに入れ、宇宙に打ち上げることができる。

つまり、1回の打ち上げ費用で、地球近傍小惑星を探査するために、およそ1000個の探査機の群れを打ち上げることができるのである。

BLISSの主な特徴は、インチワーム・モーターと呼ばれる微小電気機械システム（MEMS）の一種である。インチワーム・モーターは圧電アクチュエーターを使い、電気を力に変える。これが、BLISS宇宙船が炭素繊維のロッドを動かしてセイルの向きを変え、コースを変更する方法である。「ちょうどヨットのようにラインを引っ張り、風を通して帆の姿勢を変えるのです」と、Pister氏は説明する。

ナビゲーションのために、BLISSはカメラで星を撮影する。そして、その画像を搭載された画像と比較して位置を決定する。これはLost In Spaceアルゴリズムと呼ばれる。「このアイデアは、見える星をマッピングし、それを搭載された携帯電話のカメラから得られる画像のピクセルと比較するというものです」とAlvara氏は言う。

これほど小さな宇宙船でも通信は可能だ。研究者たちによれば、BLISS宇宙船は100万km離れていても互いに通信を維持することができ、データの受け渡しも可能だという。BLISSは静止衛星を介して地球とも通信する。著者らは、地球周回軌道に戻って通信すれば、さらに小さな宇宙船を作ることができると指摘している。

目的地に到着したら、小さな宇宙船はその表面を画像化する。また、彗星の尾からダストのサンプルを採取することもできるが、サンプルは明らかに小さいだろう。これらのサンプルがどのように収集され、保管され、地球に届けられるかについての詳細は乏しい。

BLISSがどのように機能するかを説明するために、研究者たちはNEAのベンヌとOSIRIS-RExミッションを比較対象として使用した。BLISSはOSIRIS-RExよりも早くベンヌに到達できるという。OSIRIS-RExが往復に7年以上かかったのに対し、BLISSは5年強で済む。両者には明らかな違いがある。OSIRIS-REXは科学機器一式を備えており、ベンヌの検査とタッチダウン・サンプリング地点の選定に余分な時間を要した。

しかし、OSIRIS-REXは小惑星を1つしか訪問しなかった。BLISSは比較的少額の投資で何百もの小惑星を訪れることができる。

BLISSのマイクロプローブはどのくらいで打ち上げ準備ができるのだろうか？

「実現可能なのは数年後です」とAlvara氏は言う。理論のいくつかは正しいし、モーターのいくつかはテスト済みだ。

「しかし、他にも6つのシステムとあらゆる種類のソフトウェアがまだ必要であり、それは大変なことです。しかし、さらなる研究のための資金が得られることを期待しています」と、Pister氏は述べている。

この記事は、EVAN GOUGH氏によって執筆され、Universe Todayに掲載されたものを、クリエイティブ・コモンズ・ライセンス（表示4.0 国際）に則り、翻訳・転載したものです。元記事はこちらからお読み頂けます。