革新的な反射素材で数光年先の宇宙探査機を加速

柴田真澄地上のレーザーアレイによる加速中のスターショット・ライトセイル宇宙船のイラスト

2022 年 2 月 9 日

4.37光年離れた私たちの最も近い恒星系であるアルファ・ケンタウリへの旅行には、一生をはるかに超える時間がかかるでしょう。 人類が打ち上げた最速の探査機のひとつであるボイジャー1号でさえ、現在の時速6万1500キロメートルの速度で到達するには7万年以上かかるだろう。

それでも、私たちが生きているうちに他の星に到達できるという魅力的な見通しは、多くの技術者に、レーザー駆動のライトセイルなど、宇宙船の推進を加速するための創造的なアプローチを考案する動機を与えてきました。 古代の船上のいとこのように風を利用する代わりに、軽い帆はその表面で反射する光によって推進されます。

によって資金を供給画期的なスターショット、無人星間旅行のための新技術の開発を目的とした1億ドルの研究工学プログラムで、その研究結果が最近Nano Lettersに掲載された。 同グループは、2つの別々の論文で、宇宙で過熱して蒸発しないように冷却状態を保ちながら急速に加速するように設計された将来のライトセイルの形状、サイズ、材料に関する新しいコンセプトを提案し、評価した。

地球の表面から照射される強力なレーザーパルスは、より速い星間移動に必要な高速度に達するのに必要な推進力を提供します。 このビームは、重さが 3 分の 1 オンス以下の小型の「ナノクラフト」を宇宙の真空中を加速します。 正しく設計されていれば、このような宇宙船は光速の約20％、時速約360万キロメートルの速度に達する可能性がある。 この速度であれば、アルファ・ケンタウリ行きの探査機は約 30 年で目的地に到着し、画像と測定値を地球に送信できる可能性があります。

人類はこれまで巨視的な物体をこれほど相対論的な速度まで加速したことはありませんでした。 この画期的な進歩を達成するには、セイル自体だけでなく、レーザーから超軽量プローブに至るまで、関連するすべてのコンポーネントに極端な特性が要求されます。

帆は非常に軽く、羽よりもはるかに軽いものでありながら、レーザー光を適切に反射して前に進むことができなければなりません。 直径約 2 メートルの帆の重さは 1 グラム未満、つまり 1000 分の 1 ポンド未満である可能性があります。

で書類の一つ研究グループは、レーザー光のセイルが直面する根本的な課題、つまりセイル上でレーザー光のほんの一部を吸収すると、セイルが破壊される可能性があるという課題に取り組みました。

「私たちは、すぐに崩壊しないようにしながら、帆と帆が牽引する船を素早く加速する能力を備えた設計を実証しました。」 アスワス・ラマンは言った。

「残念ながら、強力なレーザーを何かに向けると、たとえそのレーザー光のほんの一部を吸収したとしても、非常に熱くなる傾向があります」と、この研究を主導したUCLA材料科学工学助教授アスワス・ラマン氏は述べた。勉強。 「私たちは、材料が入射光の波長に匹敵するスケールで構造化されているときに生じる独特の材料特性と光学的挙動を活用するナノスケールのライトセイルを設計することで、この問題を解決することを目指しました。私たちは、セイルと光の波長を素早く加速する能力を持つ設計を実証しました。すぐにバラバラにならないようにしながら、船を引っ張っていきます。」

ライトセイルに関するこれまでの研究は、耐久性を犠牲にして車両の速度を向上させるか、その逆に重点を置いていましたが、UCLA-UPenn チームは両方の現実的なバランスを取ることを目指しています。

研究チームは、高い屈折率を持つ原子状に薄い「2D」材料である二硫化モリブデンと、熱を効果的に放射するために必要な特性を持つ材料である窒化ケイ素を組み込んだ。 彼らのモデリングは、この帆の設計が、軽い帆を前方に推進する初期の加速段階に耐えるだけでなく、地球に近い距離で目標速度に到達できることを示しています。 セイルをターゲットとするレーザーは地球から照射され、車両が一定の距離を超えるとセイルを推進できなくなるため、これは重要です。

新しい帆の素材は、熱放散をさらに改善するために、面積が約 100 分の 1 ミリメートルの非常に小さな正方形の生地を 1 枚のシートではなく貼り合わせるデザインに組み込むことができます。

この論文の筆頭著者は、ラマン氏の助言を受け、全米科学財団大学院研究フェローシップの支援を受けたUCLA博士課程の学生、ジョン・ブリュワー氏である。 この論文の他の上級著者には、ペン・エンジニアリングの電気およびシステム工学の助教授であるディープ・ジャリワラ氏と、機械工学および応用力学の准教授であるイゴール・バルガティン氏が含まれます。 その他の著者には、UCLA の学部生であるサチン・クルカルニ氏、ペン・エンジニアリングの博士研究員マシュー・キャンベル氏とパワン・クマール氏が含まれます。

で2枚目の紙研究者らは、帆のデザインを平らにするのではなく、パラシュートのように膨らませるようにすべきだと提案した。

研究を主導したバルガティン氏は、「帆船でも宇宙でも、非常に堅い帆は破れやすいというのが直感だ」と述べた。 「これは比較的簡単に理解できる概念ですが、これらの材料がこのスケールでどのように動作するかを実際に示すには、非常に複雑な計算を行う必要がありました。」

Bargatin 氏らは、平らなシートではなく、幅とほぼ同じ深さの湾曲した構造が、地球の重力の数千倍の引力である帆の超加速による負担に最も耐えられるだろうと示唆しています。

キャンベルはこの論文の筆頭著者でした。 他の著者には、Brewer、Jariwala、Raman などがあります。

Breakthrough Starshot は、宇宙の生命に関する基本的な問題を調査する一連の宇宙科学プログラムである Breakthrough Initiatives の一部です。 ブレークスルー財団の資金提供を受けて、これらの慈善活動はユーリ ミルナーとジュリア ミルナーによって設立されました。