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トラクター・ビームは直感的に理解できる。宇宙では、物質とエネルギーが無数の方法で相互に作用している。磁力と重力はどちらも物体を引き寄せることができる自然の力なので、ある種の前例があるのだ。

しかし、実際のトラクター・ビームを工学的に実現するのは、また別の話だ。

トラクター・ビームとは、遠くから物体を動かすことができる装置だ。1931年に書かれた「SpaceHounds of IPC」というSF小説がそのアイデアの元になっている。

レイ・スクリーンというものがあるんだよ、キルジョイ。それに、リフティング光線やトラクター光線というのもある。トラクター光線はタイタン人が昔から持っていて完全な資料を送ってくれて、ジョバン人も持っている。3日で手に入る。トラクターの反対、プッシャーあるいはプレッサー・ビームも簡単に作れそうだ。

Spacehounds of IPC by Edward Elmer ‘Doc’ Smith

SFの世界では、トラクター・ビームという概念はすでに一般的であり、その普及はスタートレックやスターウォーズに感謝すべきことだろう。

しかし、トラクター・ビームは実はすでに存在している。その到達範囲はミクロの世界に過ぎないが。

ミクロのトラクター・ビームは、光ピンセットと呼ばれる装置に採用されている。光ピンセットは、レーザーを使って原子やナノ粒子などの微小な物体を移動させ、生物学、ナノテクノロジー、医学の分野で使用されている。

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JPK InstrumentsのNanoTracker 2という光学ピンセット (Image Credit: JPK Instruments, AG, Berlin, Germany)

このトラクター・ビームは、ミクロの物体には有効だが、マクロの物体を引っ張るほどの強度はない。

今回、研究者チームがマクロレベルでのトラクター・ビームの実証に成功した。研究チームは、その成果を説明する論文を『Optics Express』誌に発表した。タイトルは「Macroscopic laser pulling based on the Knudsen force in rarefied gas」で、主著者は中国・青島科技大学のLei Wang氏だ。

Wang氏は、「これまでの研究では、光による引っ張り力が小さすぎて、巨視的な物体を引っ張ることができませんでした」と述べている。「私たちの新しいアプローチでは、光を引っ張る力ははるかに大きな振幅を持っています。実際、光子の運動量を利用して小さな押す力を発揮するソーラーセイルの駆動に使われる光圧よりも3桁以上大きいのです。」

この巨視的なトラクタービームは、実験室の特定の条件下でしか機能しないので、デモンストレーションであって、少なくともまだ実用的な開発とは言えない。

まず第一に、このビームは、研究者たちが実験用に作ったマクロなグラフェン-SiO2 複合体という、目的に応じたものに対して機能する。次に、地球の大気よりもはるかに低い圧力の希薄なガス環境で動作する。このため、地球上での効果は限定的だが、すべての世界が地球ほど気圧が高いわけではない。

「私たちの技術は、非接触で長距離を引っ張るアプローチを提供し、さまざまな科学実験に役立つ可能性があります。この技術を実証するために使用した希薄なガス環境は、火星で見られるものと類似しています。したがって、いつか火星で乗り物や飛行機を操作できる可能性があります。」と、Wang氏は述べている。

彼らの装置は、ガス加熱の原理で動作する。レーザーで複合物体を加熱するが、片側はもう片方より高温になる。背面側のガス分子はより大きなエネルギーを受け、物体を引っ張る。希薄なガス環境での低い圧力と相まって、物体は移動する。

Tractor Beam pull push
この図は、巨視的なトラクタービームの働きを説明する研究から。Aは、レーザーがCGL-SiO2サンプル(Compact Grade Laminate)材料の一部に当たって加熱している様子を示している。これにより、材料は光から押し出される。Bは同じものだが、今回はCGLに熱伝導率の低い透明な素材をコーティングしている。(黄色)その場合、引っ張る力が生じる。 (Credit: Wang et al. 2023)

研究者らは、グラフェン-SiO2 複合構造を用いてねじり振り子装置(旋回振り子)を製作し、レーザー引き込み現象を実証した。その結果、この現象は肉眼でも確認できるようになった。さらに、別の装置を用いて、この効果を測定した。

「引っ張る力は、光圧よりも3桁以上大きいことがわかりました。」とWang氏は述べた。「さらに、レーザーで引っ張ることは再現性があり、レーザー出力を変えることで力を調整することができます。」

近年、他の研究者もトラクター・ビームに取り組んでいるが、結果はまちまちだ。NASAは、MSLキュリオシティ探査機のサンプル採集にトラクター・ビームを使用するというアイデアに興味を持った。キュリオシティの観測機器の1つにChemCamがある。この装置は、レーザーで岩石やレゴリスを蒸発させ、マイクロイメージャーでその成分を分光学的に測定するものだ。しかしNASAは、トラクター・ビームによって、気化した試料の微粒子を探査機に引き込み、より完全な調査ができないかと考えたのだ。

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MSLキュリオシティが岩場にChemCamレーザーを照射している様子を描いたイラスト。MSLにトラクタービームがあれば、より深い研究のために微小な粒子を搭載した研究室に引き込むことができる。(Credit: NASA)

2010年のNASA NIACのプレゼンテーションでは、次のように述べられている。

もし、『ChemCam2』にトラクター・ビーム技術が搭載され、ダストやプラズマ粒子を取り込むことができれば、トラクター・ビームは一連の科学的能力を追加することができます。

・レーザー脱離イオン分光法
・質量分析
・RAMAN分光法
・蛍光X線分析 (X-Ray Fluorescence)

同発表では、トラクター・ビームは、彗星の尾やエンケラドスの氷のプルーム、さらには地球大気や他の大気中の雲から粒子を集めるのに使えると述べている。

これは実現しなかったが、このアイデアがいかに説得力があるかを示している。

この新しい研究は興味深い結果をもたらしたが、実際の実用化にはほど遠い状態だ。実用化に至るまでには、多くの作業とエンジニアリングが必要なのだ。ひとつには、サイズや形状の異なる物体や、異なる大気中の異なる出力のレーザーに対して、この効果がどのように作用するかを説明する、十分に理解された理論的裏付けが必要であることが挙げられる。

もちろん、研究者たちはこのことを承知しているが、それでもなお、実現可能性を効果的に示すことができると指摘している。

「私たちの研究は、光、物体、媒質の相互作用を注意深く制御すれば、巨視的な物体の柔軟な光操作が可能であることを実証しています。また、レーザーと物質の相互作用の複雑さを示し、多くの現象がマクロとミクロの両方のスケールで理解されるには程遠いことも示しています。」と、Wang教授は述べている。

決定的なのは、この研究がトラクター・ビームをミクロからマクロに移行させたということだ。これは、越えるのが難しい重要な閾値である。「この研究は、光学的牽引の範囲をミクロスケールからマクロスケールに拡大し、マクロスケールの光学的操作に大きな可能性をもたらします。」と、著者らは結論で書いている。


論文

参考文献

研究の要旨

光引き上げは、その直感に反する特徴、その裏にある深遠なメカニズム、そして有望な応用性から、魅力的な概念である。この10年間で、マイクロ・ナノ物体の光による牽引は十分に実証された。しかし、マクロな物体を光で引っ張ることは困難である。ここでは、希薄ガス中における巨視的物体のレーザー引き上げを紹介する。ガウスレーザー光を吸収性バルク架橋グラフェン材料とSiO2層からなる巨視的構造体に照射すると、クンセン力に由来する引っ張り力が発生する。ねじり振り子装置は、レーザーの引き込み現象を定性的に提示する。さらに重力振り子装置を用いて、放射圧よりも3桁以上大きな引っ張り力を測定した。本研究は、光プーリングの範囲をマイクロスケールからマクロスケールに広げ、マクロな光操作に有効な技術アプローチを提供するものである。

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。

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