今、天文学者や宇宙論者にとってエキサイティングな時期だ。ジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）以来、天文学者はこれまで撮影された中で最も鮮明で詳細な宇宙の画像に接してきた。ウェッブ宇宙望遠鏡の強力な赤外線イメージャ、分光器、コロナグラフは、初期宇宙の調査から太陽系外惑星の直接撮像研究まで、近い将来さらに多くのことを可能にするだろう。さらに、今後数年のうちに、30m の主鏡、補償光学装置、分光器、コロナグラフを備えた次世代望遠鏡の運用が開始される予定だ。

このような素晴らしい装置であっても、天文学者や宇宙論者は、さらに高度で強力な望遠鏡が利用できるようになる時代を待ち望んでいる。例えば、マサチューセッツ工科大学（MIT）のZachary Cordero氏は、宇宙空間で自律的に組み立てられ、静電アクチュエータによって曲げられる100メートルの主鏡を持つ望遠鏡を提案した。彼の提案は、NASAの革新的先端概念（NIAC）プログラムによって今年選ばれたいくつかのコンセプトのうちの1つで、フェーズI開発用に選ばれた。

Cordero氏は、MITの航空宇宙学のボーイングキャリア開発教授であり、航空宇宙材料・構造研究所（AMSL）および小型衛星センターのメンバーでもある。彼の研究は、加工科学、力学、設計の専門知識を統合し、新たな航空宇宙用途のための新しい材料と構造を開発するものだ。彼の提案は、Jeffrey Lang教授（MITのエレクトロニクスおよびマイクロシステム技術研究所）と、博士課程の学生Harsh Girishbhai Bhundiyaを含むAMSLの3人の学生のチームとの共同研究によるものだ。

彼らの提案する望遠鏡は、宇宙望遠鏡やその他の大型ペイロードを打ち上げ用にパッケージングし、軌道上に展開する際の重要な問題を解決するものだ。つまり、サイズと表面精度のトレードオフにより、展開可能な宇宙望遠鏡の直径は数十メートルに制限される。最近打ち上げられたジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡（JWST）は、これまで宇宙に送られた望遠鏡の中で最大かつ最も強力な望遠鏡だ。JWSTは、アリアン5ロケットのペイロードフェアリングに収めるため、よりコンパクトに折りたためるよう設計されている。

主鏡、副鏡、日除けも含めて、軌道上で展開できるように設計されている。一方、最も複雑で強力な主鏡は、直径6.5メートルもある。後継機である大型紫外線・光学・赤外線サーベイヤー（LUVOIR）も同様の折りたたみ式で、主鏡の直径は8〜15m（LUVOIR-Aまたは-B）になる予定だ。Bhundiya氏はUniverse Todayに電子メールで次のように説明している。

「現在、ほとんどの宇宙船用アンテナは軌道上に配置され（例：ノースロップ・グラマン社のアストロメッシュ・アンテナ）、高い性能と利得を達成するために最適化されています。しかし、これらには限界があります。1) 受動的に展開するシステムである。1) 受動的な展開システムであるため、一度展開するとアンテナの形状を適応的に変更することができない。2) サイズが大きくなると、スルーが難しくなる。3) 直径と精度のトレードオフがある。つまり、サイズが大きくなると精度が低下する。これは、大口径と高精度の両方を必要とする天文学やセンシングのアプリケーション（例：JWST）を実現するための課題です。」

これらの制限を克服するために多くの宇宙建設方法が提案されているが、（大口径反射鏡のような）精密構造物を建設するための性能に関する詳細な分析は不足している。Cordero氏たちは、提案のために、宇宙での製造に必要な材料とプロセスをシステムレベルで定量的に比較検討した。その結果、先端材料と「ベンドフォーミング」と呼ばれる新しい宇宙用製造方法を用いれば、この限界を克服できると判断した。

「ベンドフォーミングは、金属線材を原料として3Dワイヤーフレーム構造を製作するためのプロセスです。一本のワイヤーを特定のノードで特定の角度で曲げ、ノードにジョイントを追加することで剛性の高い構造体を作ることができます。つまり、与えられた構造を作るには、それを曲げ命令に変換し、CNCワイヤーベンダーのような機械に実装して、一本の素線から構造を作るのです。曲げ加工の主な用途は、軌道上にある大型アンテナの支持構造を製造することです。このプロセスは、低消費電力で、高い圧縮率を持つ構造を製造することができ、基本的にサイズに制限がないため、この用途に適しています。」

他の宇宙空間での組み立てや製造アプローチとは対照的に、曲げ成形は低電力であり、宇宙の極低温環境によって独自に実現されている。さらに、この技術により、多機能材料を活用して、サイズ、質量、剛性、精度の新しい組み合わせを実現するスマート構造が可能になる。さらに、得られるスマート構造は、多機能材料を活用して、サイズ、質量、剛性、精度の前例のない組み合わせを実現し、従来のトラス構造またはテンションアライメント宇宙構造を制限する設計パラダイムを打破する。

大型曲げ成形構造体は、その本来の精度に加え、静電アクチュエーターを用いて反射鏡の表面をミリメートル以下の精度で輪郭づけすることができる。これによって、軌道上で製作されるアンテナの精度が向上すると、Harsh氏は述べている。

「アクティブ制御の方法は静電アクチュエーションと呼ばれ、静電引力によって発生する力を利用して、金属メッシュをアンテナ反射板として機能する曲面形状に精密に形成します。メッシュと、曲げ加工された支持構造物と展開電極からなる『コマンド面』の間に電圧をかけることで行っています。この電圧を調整することで、反射板表面を精密に形成し、高利得のパラボラアンテナを実現することができるのです」。

Harsh氏らは、この技術によって、直径100メートル以上の展開型ミラーが実現し、表面精度100 m/m、比表面積10 m2/kg以上を達成できると推測している。これは、既存のマイクロ波放射計の技術を凌駕するもので、暴風雨の予測や水循環などの大気プロセスの理解に大きく貢献する可能性がある。これは、地球観測や太陽系外惑星の研究にも大きな影響を与えるだろう。

研究チームは最近、1月23日から27日までメリーランド州ナショナルハーバーで開催された2023年米国航空宇宙学会（AIAA）サイテック会議において、曲げ成形支持構造を持つ静電作動式リフレクターの1m（3.3フィート）試作品を披露した。今回のフェーズ I NIAC助成により、研究チームはマイクロ波放射計の反射板を作ることを最終目標として、この技術を成熟させる予定だ。

将来的には、静止軌道（GEO）上で曲げ成形をどのように利用し、視野15km、地上分解能35km、周波数50～56GHz（超高周波、超高周波）のマイクロ波放射測定用反射鏡を作るかを研究する予定だ。これにより、宇宙生物学者がハビタビリティを測定するための重要な特性である、系外惑星大気の温度プロファイルを取得することができる。

「NIACでの我々の目標は、我々の技術である曲げ加工と静電アクチュエーションを宇宙で実現することです」とHarsh氏は述べている。「私たちは、静止軌道上で曲げ成形された支持構造と静電アクチュエータを持つ直径100mのアンテナを製作することを想定しています。これらのアンテナにより、センシング、通信、電源の能力を向上させた新世代の宇宙船が実現するでしょう。」

この記事は、MATT WILLIAMS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。