今年は、初のアポロ月面着陸から50周年にあたります。これが可能になったのは、宇宙技術が並外れた速さで進歩したためです。着陸に至るまでのわずかな期間に、技術者たちはロケット推進、搭載コンピューティング、宇宙運用を習得しました。その一部には、事実上無制限と言える予算があったことも寄与しています。
これら英雄的な取り組みの時代以降、宇宙工学は、刺激的な新しい宇宙科学ミッション、膨大な地球観測データの流れ、そして世界的な通信・航法サービスのネットワークをもたらす、相互に連結された一連の技術へと成熟しました。今では、彗星に探査機を着陸させることも、これまでになく遠い過去をのぞくことも可能になっています。では、将来はどうでしょうか。今後数十年の間に宇宙分野を変革しうる新技術とは何で、それはどのように実現するのでしょうか。
ここ数年の有望な方向性の一つは、宇宙技術を大きくも小さくもすることです。最近開始された10年間の研究計画を通じて、英国王立工学アカデミーの支援を受けて、私たちのグループは宇宙機の寸法規模の両極端において、さらなる可能性の探求を始めています。これはミッション設計においてまだ十分に探究されていない領域であり、将来に向けた新たな発想を生み出しうると考えています。
小型化
技術の小型化により、宇宙機のサイズは多様になっています。例えば、災害監視コンステレーションで使用される100kgの小型衛星は、個々の衛星が連携して動く群として構成されています。さらに、30x10x10cmのコンパクトなキューブサットも存在します。数キログラムの重さの衛星で、さまざまな搭載機器を載せることができます。大型衛星と一緒に副次的な搭載物として多数打ち上げることができるため、地球観測や低コストの科学実験によく用いられます。
私たちは、宇宙技術の規模を少なくとも一桁縮小することを目指しています。その出発点は3x3cmのプリント基板（PCB）衛星であり、さらにいっそうコンパクトな装置へと進んでいく計画です。このような衛星の軌道上実証は、すでに行われています。例えば、Spriteデバイスは、センサー、通信機能、搭載データ処理機能を備えているにもかかわらず、重さはわずか4グラムです。
これらの装置は、すでに国際宇宙ステーションの外部に取り付けられています。そして最近では、KickSat-2ミッションが、地球周回軌道上に1基あたり100米ドル未満のSpriteデバイス105基を展開しました。展開の翌日には装置からの信号が受信され、このような装置がいつの日か宇宙で新たな任務を遂行できるのではないかという期待が高まっています。
私たちの目標は、宇宙空間で自らの姿勢と軌道を制御できる自由飛行型の装置を開発することです。これにより、大規模な群れのセンサーを展開し、分散型センシングネットワークに利用できるようになると考えています。これは、宇宙天気の監視を含む、リアルタイムかつ大規模なデータ収集を可能にするものです。将来を見据えると、さらに小型の装置により、単一のシリコンウェハー上に高度に集積され、量産される衛星が実現する可能性もあります。
刺激的な可能性の一つは、こうした微小な宇宙機を、大型の光帆と組み合わせることで恒星間宇宙船へと変えることです。他の太陽系に到達し、数十年のうちに近くで詳しく調査することができます。また、彗星や小惑星の近傍で広範囲のセンシングを行うためにも使用できる可能性があります。
大型構造物
サイズのもう一方の極端においても、進展があります。30メートル規模の大型展開式ブームは、太陽電池アレイを支えるために、すでに国際宇宙ステーションで使用されています。私たちの目標は、軌道上で大型かつ軽量の構造物を製造することにより、再び少なくとも一桁規模を拡大することです。これは、3Dプリント技術を真空と微小重力環境で機能するように応用することで実現できる可能性があります。このアプローチにより、超大型のアンテナ、発電集光器、太陽反射鏡の製造が可能になると考えています。
では、なぜこのような構造物が必要なのでしょうか。ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の例を見てみましょう。同望遠鏡は、非常に大きな成功を収めたハッブル宇宙望遠鏡に、まもなく取って代わる予定です。大きな主鏡を備えており、プロのテニスコートほどの大きさの遮光板によって太陽光から保護されています。この技術をアリアン5ロケットに収めるため、主鏡と遮光板はいずれも展開式の部分で構成されています。その後、宇宙に到達したら、これらを正確なタイミングで順次展開する複雑な手順が必要となり、失敗すればミッションが失敗するリスクがあります。
大型で軽量な構造物を軌道上で直接製造できる能力は、宇宙技術に大きな影響を与える可能性があります。地上から繊細な構造物を打ち上げるという危険な障壁を回避できるからです。例えば、反射膜の上に構造支持材を連続製造工程で直接印刷できれば、数百メートルに及ぶ超大型反射鏡を製造できる可能性があります。
極軌道では、そのような反射鏡を用いて、夜明けと夕暮れ時に地上の将来の太陽光発電所を照らすことができます。その時間帯は出力が低い一方、需要とスポット価格は高くなります。これは、提供される製品が情報ではなくエネルギーである、まったく新しい種類の宇宙サービスとなるでしょう。
また、光を反射させることで、産業規模の太陽熱発電を生み出し、地球近傍小惑星から回収された物質を処理するためにも使用できます。例えば、半径500メートルの反射鏡は、1GWの熱出力に相当する熱エネルギーを集めることができます。これは、地球上の一般的な発電所の出力に相当します。
小惑星の水を用いることは、特に有望な方向性です。宇宙で推進剤を製造する助けになるためです。太陽光で発電した電力を使って水を水素と酸素に分解し、それらを燃料として使用できます。再結合させて点火すると燃焼し、宇宙船を前進させる推力を生み出します。将来、軌道上で推進剤を製造できれば、地球の表面から宇宙まで燃料を運び上げる必要をなくし、今後の有人宇宙事業のコストを削減できる可能性があります。
アポロが真に英雄的な規模の工学の例であったように、将来の宇宙事業も同様に刺激的であり、旗や足跡を超えた持続的な社会的利益をもたらすことができます。
