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現在、複数の宇宙機関が、太陽系内の他の天体への迅速な通過を可能にする最先端の推進力のアイデアを調査している。例えば、NASAの核熱または核電気推進(NTP/NEP)コンセプトは、火星への到達時間を100日(または45日)で可能にし、中国の原子力宇宙船は、海王星とその最大の衛星トリトンを探査することが出来る。これらのアイデアやその他のアイデアによって惑星間探査が可能になる一方で、太陽系を超えるにはいくつかの大きな課題がある。

最も近い恒星であるプロキシマ・ケンタウリ(地球から4.25光年)に到達するためには、通常の推進力を使った宇宙船では1万9000年から8万1000年かかるとされている。このため、技術者たちは、光速の数分の一まで加速する指向性エネルギービーム(レーザー)を利用した無人の宇宙船の提案を研究してきた。UCLAの研究者が提案した新しいアイデアは、ビームセイルにひねりを加えたペレットビームというコンセプトで、1トンの宇宙船を20年以内に太陽系の果てまで加速させることを想定している。

画期的な宇宙探査のためのペレットビーム推進」と題されたこのコンセプトは、カリフォルニア大学ロサンゼルス校(UCLA)の機械・航空宇宙工学助教授であるArtur Davoyan氏によって提案された。この提案は、NASA Innovative Advanced Concepts(NIAC)プログラムの2023年選考で選ばれた14の提案のうちの1つで、技術をさらに開発するために総額17万5000ドルの補助金が授与された。Davoyan氏の提案は、太陽重力レンズの実現に向けて、指向性エネルギー推進(DEP)およびライトセイル技術に関する最近の研究を基礎としている。

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アインシュタイン・リングを形成する重力レンズ銀河の画像 (Credit: NASA/ESA/Hubble)

Davoyan教授がUniverse Todayに電子メールで語ったように、宇宙船の問題は、ロケット方程式にまだ従属していることだ。

“現在の宇宙船やロケットは、すべて燃料を膨張させて飛んでいます。燃料を早く捨てれば捨てるほど、ロケットの効率は上がります。しかし、搭載できる燃料の量には限りがあります。そのため、宇宙船が加速できる速度は限られています。この基本的な限界は、「ロケット方程式」によって規定されています。ロケット方程式の限界は、宇宙探査に比較的時間がかかり、コストがかかることを意味する。太陽重力レンズのようなミッションは、現在の宇宙船では実現不可能なのです。”

太陽重力レンズ(SGL)は、史上最強の望遠鏡となる画期的な提案である。例として、2020年にNIACフェーズIII開発に採択された「太陽重力レンズ」がある。このコンセプトは、アインシュタインの一般相対性理論で予言された「重力レンズ」と呼ばれる現象に依拠しており、巨大な物体が時空の曲率を変化させ、背景にある物体からの光を増幅させるというものだ。この技術により、天文学者はより高い解像度と精度で遠くの天体を研究することが出来る。

ヘリオポーズ(太陽から約500天文単位)に探査機を設置すれば、直径約100kmの主鏡の解像度で太陽系外惑星や遠方の天体を観測することが出来る。課題は、宇宙船をこの距離まで合理的な時間で運ぶことができる推進システムを開発することだ。現在、星間空間に到達した探査機は、1977年に打ち上げられたボイジャー1号と2号のみで、それぞれ太陽から約159天文単位と132天文単位の距離にある。

ボイジャー1号は、太陽系を離れるとき、1年に3.6天文単位、約17km/sという記録的な速度で移動していた。それでも、この探査機は太陽の太陽風と星間物質の境界(ヘリオポーズ)に到達するのに35年かかった。現在の速度では、ボイジャー1号が別の星系(こぐま座の無名星AC+79 3888)を通過するのに4万年以上かかることになる。このため、科学者たちは、光の帆を加速させるための指向性エネルギー(DE)推進を研究しており、数十年で別の星系に到達できる可能性がある。

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ブレイクスルー財団が主催する「プロジェクト・スターショット」は、人類初の恒星間航海を目指すものだ。 (Credit: breakthroughinitiatives.org)

Davoyan教授が説明するように、この方法はいくつかの明確な利点があるが、同時に欠点も持っている。

“レーザー航法 “は、従来の宇宙船やロケットとは異なり、加速するための燃料を搭載する必要がない。ここでは、レーザーが輻射圧で宇宙船を押すことで加速する。原理的には光速に近い速度に到達することができる方法です。しかし、レーザー光は遠距離で発散するため、加速できる距離には限りがある。このレーザー航行の限界から、ギガワット、テラワットという法外に高いレーザー出力が必要となり、宇宙船の質量に制約を与えることになる。”

レーザービームのコンセプトの例としては、恒星間研究所(i4is)が100年以内に近くの星系に到達するミッションの実現可能性を検討した「Project Dragonfly」などがある。そして、100ギガワット(Gw)のレーザーアレイを提案し、グラム単位のナノクラフト(Starchip)を加速させる「Breakthrough Starshot」がある。最大速度1億6,100万km(1億マイル)、つまり光速の20%で、スターショットは約20年でアルファ・ケンタウリに到達することができる。これらのコンセプトに触発されたDavoyan教授らは、ペレットビームという斬新なアイデアを提案する。

このミッションコンセプトは、スターショットやドラゴンフライのように、高速で移動する恒星間前兆ミッションとして機能する可能性があります。しかし、Davoyanと彼のチームは、20年以内に500天文単位の距離まで900kg(1トン)のペイロードを推進するペレットビームシステムを検討している。Davoyan氏は以下のように説明する。

“私たちの場合、宇宙船を押すビームは小さなペレットでできているので、「ペレットビーム」と呼んでいます。レーザーアブレーションによってペレットを高速に加速し、その勢いを利用して宇宙船を押します。レーザービームと違ってペレットは発散が少ないので、より重い宇宙船を加速させることができます。ペレットは光子よりはるかに重いので、より多くの運動量を運び、より大きな力を宇宙船に伝えることができます。”

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プロキシマ・ケンタウリの距離にある模擬地球を、SGLによって太陽から650天文単位の画像平面に投影した画像。(Credit: Toth H. & Turyshev, S.G.)

さらに、ペレットは小型で質量が小さいため、比較的低出力のレーザービームで推進することが可能だ。Davoyan氏らは、10メガワット(MW)のレーザービームで、1トンの宇宙船を1年に最大30天文単位まで加速できると見積もっている。フェーズIでは、さまざまなサブシステムの詳細なモデリングと概念実証実験を通じて、ペレットビームのコンセプトが実現可能であることを実証する予定だ。また、ペレットビームシステムは、私たちが生きている間に近隣の星を探査する星間ミッションにも利用できる可能性があることを探求する。

“ペレットビームは、遥か彼方の目的地への高速トランジットミッションを可能にすることで、深宇宙探査の方法を変えることを目的としています。「ペレットビームを使えば、1年以内に外惑星、3年以内に100天文単位、15年以内に500天文単位の太陽重力レンズに到達することができます。重要なのは、他のコンセプトとは異なり、ペレットビームは重い宇宙船(~1トン)を推進することができ、可能なミッションの範囲を大幅に拡大することができます。”

SGL探査機が実現すれば、近隣の太陽系外惑星(プロキシマbなど)をマルチピクセル解像度で直接撮影し、その大気のスペクトルを得ることができるようになる。このような観測は、大気やバイオシグネチャー、場合によってはテクノシグネチャーの直接的な証拠となるだろう。このように、天文学者が太陽系外惑星を直接撮影し、詳細に研究するのと同じ技術によって、恒星間ミッションが太陽系外惑星を直接探査することも可能になるのだ。


Source


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。

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