4月、クイーンズランド州南西部の人里離れた牧場に 着地した巨大気球 は、科学研究のために成層圏を飛行する特殊気球の実現可能性を試験するNASAのミッションの一環だった。
このミッションは不運な結末を迎えたものの、超圧力気球には従来の地球周回衛星に比べて多くの利点がある。
まず、地球大気の99％以上の高度に、最長6か月間とどまることができる。そのため、主に天文学や天体物理学の分野で、観測機器を運ぶ手段となる。また、衛星に機器を搭載する場合のごく一部の費用でこれを実現できる。
こうした実験の準備期間も、衛星搭載実験と比べて大幅に短縮される。さらに、超圧力気球は地球の大気や環境を長期にわたって観測する理想的なプラットフォームとなり得る。
宇宙時代の気球
超圧力気球技術は、NASAとフランスおよび日本の宇宙機関によって、約20年にわたり開発されてきた。最終的な目標は、最大2トンの機器を高度40kmまでの成層圏に運び、数か月間浮遊させる能力を実現することだ。
そのような重量を成層圏の高度まで持ち上げるのに必要な気球の大きさを知りたいなら、 アルキメデスの原理を見ればよい。
地表付近の空気の密度は1.3kg/m3なので、体積1m3の気球は質量1.3kgをかろうじて持ち上げられる。高度40kmでは空気の密度が330分の1になるため、同じ質量1.3kgをその高度まで持ち上げるには、体積330m3の気球が必要となる。
典型的な気球飛行列の離陸時。密度の低い空気へ上昇するにつれて、気球は膨張する。
Ravi Sood、著者提供
NASAの超圧力気球は、自重（2,268kg）に加えて積載物（1,588kg）も持ち上げる必要があったため、その体積はメルボルン・クリケット・グラウンドとほぼ同じ大きさでなければならなかった。
成層圏気球の大半は「ゼロ圧力」型で、袋の下部が開いている。そのためヘリウムガスが徐々に失われ、飛行時間が限られる。
この制約があるにもかかわらず、当時メルボルン大学にいた私たちのグループは、1983年1月にアリススプリングスから打ち上げ、地球を一周した気球を22日間飛行させることに成功した。
NASAの超圧力気球は密閉型で、より厚い素材で作られており、数か月間浮遊し続ける可能性がある。
しかし、成層圏の環境は過酷だ。気温は-20Cを下回り、紫外線も強い。搭載する巨大な重量によって気球の外皮に生じる張力は、変形や漏れにつながり得る。今回のNASAの気球で起きたのは、まさにそれだった。
オーストラリアの空域で気球飛行中にこうした事態が起きた場合、降下中に航空機へ危険が及ばないよう、私たちUNSW Canberraは Airservices Australia から飛行を終了させるよう求められる。また、着陸地点として制限区域や居住地域を避けなければならず、今回の飛行でもそのように対応した。
NASA気球飛行の上昇と下降
気球の進路は制御できないため、飛行に最適なのは風向と風速が比較的予測しやすい時期だ。
成層圏の風は年間およそ6か月間、強い東風として吹く。その後、向きが変わり、強い西風となる。
NASAの超圧力気球の打ち上げは、4月の風向転換と重なった。浮遊高度の風は、ニュージーランド南島の打ち上げ地点ワナカとほぼ同じ緯度で、気球を地球一周させると予想されていた。
今年の 3月27日の打ち上げ 後、気球は優れた性能を示し、予測どおり南米、続いて南アフリカ上空を漂流した。
進路の変化
しかし、インド洋上の成層圏の風に、予想外の南北成分（下の画像を参照）が生じ、最終的に気球はクイーンズランド州へ向かって流された。
打ち上げから飛行終了までの超圧力気球の飛行経路。
NASA/Google Earth
この 気球がオーストラリアの空域に入ると、オーストラリアの航空・安全規則を遵守し、安全な飛行を確保する責任は私たちに移った。
私は、飛行が規則に従うよう民間航空安全局（CASA）から承認を得ており、飛行終了が必要になった場合に従う手順についても、Airservices Australiaから承認を得ていた。
4月28日の朝、NASAから気球に漏れが生じたとの連絡を受けた。予測された経路ではアデレード方面へ向かうため、人口のまばらな地域の上空にいる間に飛行を終了させることが決まった。
終了時刻と場所についてメルボルンの航空交通管制の承認を得た後、クイーンズランド州の緊急サービスに事態を知らせた。
飛行は終了し 、AEST午後1時3分に、パラシュート付きの積載物はティボーブラから北東へ107kmの地点に落下した。
気球は別々に降下し、積載物から10km離れた場所に着地した。
回収された超圧力気球の積載物。
NASA Columbia Scientific Balloon Facility、著者提供
回収された超圧力気球を積み込む様子。
NASA Columbia Scientific Balloon Facility、著者提供
この超圧力気球は、気球の性能を試験するための工学試験飛行にすぎなかった。NASAはさらに超圧力気球を飛行させる計画だが、再びニュージーランドのワナカから打ち上げるのは2016年になってからだ。
その他の気球ミッション
私は、私の研究室で設計・製作した気球搭載機器を用いるX線・ガンマ線天文学に携わってきた。こうした観測は、衛星搭載望遠鏡や地上望遠鏡による他の観測で補完される。
現在私は、2S0114+650という特異な恒星系からのX線と可視光の観測に力を入れている。これは極めてまれな種類の天体だと考えている。この系には、既知の超巨星と、互いに11.6日の周期で公転する非常に高密度な中性子星が含まれている。
2S0114+650の観測結果は、この系に第3の恒星、おそらく別のコンパクト天体があり、軌道周期は30.7日であることを示唆している。
オーストラリアには成層圏気球飛行の長い歴史があり、1974年以来、アリススプリングスの気球打ち上げ基地から130回を超える打ち上げが行われている。私は1988年以来、この施設の基地長を務めている。
先月は日本の宇宙航空研究開発機構JAXAが参加した飛行が大成功を収めた。来年にはJAXAとのさらなる飛行、そして2017年にはフランス国立宇宙研究センターCNESが参加するキャンペーンが計画されている。
アリススプリングスの魅力は二つある。まず、広大な人口希薄地域の中心に位置しており、安全な運用に必要な条件を備えている。
また、天体物理学的に関心の高い天体を数多く擁する天の川銀河の中心が、ほぼ天頂を通過する緯度にある。こうした天体は北半球からは見えない。
本記事の掲載は、世界経済フォーラムによる見解の支持を意味するものではありません。
本記事は、もともと The Conversationに掲載されました。 元の記事をお読みください。Agendaの最新情報を受け取るには、 週刊ニュースレターに登録してください。
著者： Ravi Sood は、 UNSW Australiaの天体物理学准教授です。
画像：2003年から2012年に撮影された複数の露光画像を合成したもの。REUTERS/HUDF/NASA/Handout via Reuters。
