太陽光を受けて航行する新型宇宙船が、地球上空への投入に成功した。 LightSail 衛星は 昨日、いくつもの不具合を乗り越え、 太陽帆を展開した。太陽帆は、従来のロケットやスラスター、さらには太陽電池パネルともまったく異なる推進システムだ。
この試作機は、 米国惑星協会 が製作し、一般からの寄付で資金を得ており、帆の展開機構を試験している。来年打ち上げ予定の別のミッションでは、推進システム全体を実証する。太陽帆で飛行する宇宙船はこれが初めてではない。その栄誉は、2010年の 日本の宇宙船イカロス に与えられた。しかし、この技術への関心の高まりは、将来の宇宙旅行に刺激的な可能性をもたらす。
太陽帆航行は、宇宙版の帆船航行だ。風が吹くと、帆に当たる空気の粒子が船を押し進める。太陽帆航行も考え方は同じだが、風の代わりに太陽から放出される光の粒子が宇宙船を前進させる。
光は、動く粒子で構成されており、 光子 と呼ばれる。光子は鏡で反射できる。反射が起きると、鏡の表面には太陽放射圧と呼ばれる圧力がかかる。この圧力は非常に小さいため、地球上で普通の鏡を日光にかざしても、手に力を感じることはない。しかし宇宙空間の真空中では、ごく軽い鏡面の帆を動かすのに十分な力となる。
太陽帆航行が重要な理由を理解するには、宇宙の空虚さに立ち返る必要がある。推進とは、乗り物を加速させる能力のことだ。地上の乗り物は、周囲の何かと相互作用することで加速する。たとえば自動車は、路面に力を加えることで加速する。
しかし宇宙には、相互作用する媒質がない。そこで登場するのがロケット推進だ。推進剤を一方向に噴射すると、ロケットは反対方向に押し出される。これは、物体が別の物体に力を及ぼすと、同じ大きさで反対向きの力を受けるという科学法則、ニュートンの運動の第3法則による。
問題は、宇宙船に搭載できる推進剤には限りがあり、使い切ると、それ以上加速できなくなることだ。このため、遠方の宇宙空間にある目標の中には、ロケット推進だけでは到達できないものもある。これに対し太陽帆航行は、推進剤の質量をまったく必要とせず、この問題を巧みに回避する。無料で、無期限に推力を発生させられるロケットを手に入れるようなものだ。
太陽帆は、太陽から届く光子を反射するだけで、推進剤の質量なしに推力を生み出す。
www.deorbitsail.comより
太陽帆航行の概念はとても単純で、ある意味ではほとんどロマンチックであり、宇宙探査にとって実に魅力的だ。それでは、1920年代に初めて考案されて以来、なぜ より広く活用されて こなかったのだろうか。理由はいくつかあり、いずれも工学上の課題に関係している。
最大の理由は、太陽放射圧が非常に小さいことだ（そのため、鏡を太陽にかざしても力を感じない）。つまり、より多くの光を反射するには太陽帆を大きくする必要がある一方、動かすのに必要な力を抑えるには軽量でなければならない。
また、安全に打ち上げるには、帆を折り畳んでおき、無重量状態で展開しなければならない。折り畳んだ帆を収めたLightSailの本体は、最も幅の広い部分で約30cmだが、帆を展開すると総面積は32 m2になる。この展開機構は非常に高い信頼性が求められる。故障すればミッション全体が無駄になるためだ（そのためLightSailでは練習打ち上げを行った）。
帆を大きく軽量にしても、加速度は小さいままの場合がある。テニスコート2面分の面積を覆う太陽帆にかかる力は、地球上で1gの物体に働く重力に相当する。宇宙船の質量が30 kgなら、加速度はわずか0.0003 m/s2となる。宇宙の基準では極めて小さく聞こえる。1980年製のフィアット・パンダでさえ、約1 m/s2と、はるかに優れている。
しかし太陽帆は、太陽の周りを何度も周回しながら、ゆっくりと、しかし絶えず目標に向かって加速（または減速）できる。このため、太陽帆は太陽系内の長距離の惑星間航行に適している。ただし、理論上は永遠に加速できる帆にも、実際には時間的な制約がある。放射線や微小隕石との衝突、アウトガス（電子機器内部に閉じ込められたガスの放出）によって帆の素材が損傷し、時間とともに反射率が低下する可能性がある。
LightSailのようなプロジェクトの利点は、小型の試作機であっても、この技術の実現可能性を示し、この飛行方式への関心と熱意を高めることだ。最初に提案されてから100年が経った今も、太陽帆航行は非常に人気のあるアイデアであり、私たちのような科学者も、 Space Glasgowの 宇宙探査に有望な技術だと考えている。
地球軌道上のLightSailを描いた想像図
惑星協会／リック・スターバック
期待されているのは、この分野へのさらなる大規模投資を呼び込み、太陽帆航行を将来の宇宙船の主要な推進システムとするために必要な技術を開発することだ。実現まであと一歩だ。
この記事は当初、 The Conversationに掲載された。 元の記事を読む。掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持することを意味しない。
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著者： マッテオ・チェリオッティ 氏は、 グラスゴー大学の宇宙システム工学講師。
画像：色鮮やかな光景の中、南太平洋上空に太陽が昇ろうとしている。NASA／ロイター経由の配布資料。
