スターショットナノクラフト技術に関する5つの大きな質問

火曜日に、ロシアの億万長者、Yuri Milnerと有名な天体物理学者Stephen Hawkingは、地球に最も近い恒星系であるAlpha Centauri（わずか4.37光年先）を研究するための1億ドルの計画を発表しました。いくつかの異なる科学的調査の中での目標は、基本的にエイリアンが森のその首にいるかどうか、あるいは少なくとも生命を支えることができる惑星や月があるかどうかを見つけることです。

画期的なスターショットと呼ばれるこのプロジェクトは、100ギガワットの光ビームで推進されるライトセイルによって運ばれる超軽量の宇宙船（「スターチップ」と呼ばれる）をAlpha Centauriに送ることから成り立っています。

これは氷山の一角です。計画全体は、狂気の天才として、あるいは単なる狂気のいずれかとして現れます。しかしながら、あなたが掘り下げるほど、Milnerと彼の乗組員による計画は実際に実行可能であるかもしれないように見えます。

これは、彼らが提案している技術が実際には実現可能性の範囲からかけ離れていないためです。それは確かに想像力を伸ばしますが、それを壊すことはありません。ライトセイル技術はすでにBill Nyeによって組織されたものを含むかなりの数の研究グループによってテストされています。サイズ効率が高く、安価な宇宙研究を行う方法としてCubeSatsが登場したことで、小型で軽量の宇宙船を作ることでどれだけの利益が得られるかが示されました。 Starshotが投げかけたナノクラフトは、その方向への単なる論理的な一歩です。

それでも、あります たっぷり 地獄のMilner、Hawking、さらにはFacebookの創設者Mark Zuckerberg（投資家）がどのようにこれをやめようとしているのかについて残っている疑問のリスト。ここにナノクラフト技術と光ビーム発射システムについての5つの最大の質問 - そしてある洞察を提供するかもしれないいくつかの答え - があります。

推進技術としての光ビーム - 説明してください！

これらのナノクラフトの赤ちゃんを進水させるスターショット計画は燃料と火を使わない - それは光とレーザーを使う。高出力の集束レーザーは、何十年もの間、推進エンジニアにとって興味を引かれてきましたが、ごく最近になって、重要な衛星の軌道から軌道の破片を移動させるなど、いくつかの用途でそのような技術を使用することができます。結局のところ、光はシステムに力を及ぼすことができるエネルギーです。

しかし、それがキーワードです。 想像する 。私たちはまだ別の物体を撃つことができるレーザービームを実際には構築していません に 光子の純粋な力を通した空間。科学者達は、より一般的な方法と組み合わせてレーザーを使うハイブリッド推進技術に取り組んでいますが、唯一の推進剤としてではありません。

「それでは、ソーラーセイルは宇宙でどのように機能するはずなのでしょうか」と言うかもしれません。ソーラーセイル技術では、太陽の光線によって生成された光子を使用してセイル（およびその宇宙船）を推進します。しかし、帆は昔ながらの方法で宇宙を飛ぶようになります：ロケット弾。

スターショット氏は、ライトビーマー（幅1キロメートル規模で設置された一連のレーザー）が潜在的に最大100ギガワットのビームエネルギーを供給できると主張している。私たちは1つの超大型レーザーを使用するのではなく、代わりに多数の小型レーザーを使用することになるでしょう。おそらく数百万、または何億もの。

それは、ナノクラフトを地球の大気から引き上げ、重力を引くのに十分な力でしょうか。多分。 Milnerは、スターショットがアタカマ砂漠のような高度の高い環境に発射台を設置することによって、より良いチャンスを得ると考えています。また、水蒸気が宇宙船に蓄積して重量を増したり、宇宙船を押し上げるときのレーザーの力を妨げる可能性を減らすのに十分なほど乾燥しています。

すべてうまくいけば、プローブは時速1億マイルでAlpha Centauriに到着し、20年以内にシステムに到達します。

ライトセイルは超薄型で超繊細です。これはどのように打ち上げを乗り切ることになっていますか？ 20年間宇宙を回っている岩石や塵をどのようにして生き残ることができるのでしょうか。

ライトセイルは、光源から対向する光子を拾い上げてセール自体にかかる圧力の力としてそれらを使用するように設計された極薄の「メタマテリアル（実験材料を指す包括的な用語）でできています。その結果、セールは前進し、さらに高速に加速することができます。

私が述べたように、ライトセイルは新しいものではありません。 Bill NyeとPlanetary Societyは、費用対効果の高い宇宙船推進設計としてのそのような技術の実行可能性を証明しようとするライトセイルプロジェクトに取り組んでいます。 NASAは2018年に地球に近い小惑星スカウト（NEA Scout）を打ち上げています オリオン 拡張可能なソーラーセイルを経由して近くの小惑星に到達するでしょう、宇宙打ち上げシステムのための最初の任務のために。

これらの両方のライトセイルは、帆に穴をあけて全体を脱線させる可能性がある、星間の塵や破片と衝突するという同じ問題に遭遇します。これはかなり明確な可能性ですが、考慮すべき点がいくつかあります。

最初：スペースは 大きい 。たくさんの物質が浮遊していますが、空気中の粒子が私たちのいたるところに集まっているのは、地球上のこの場所のようではありません。宇宙の物体は何マイルも離れています - それでも、わずか10から百万までの距離ですが、それでもマイルは離れています。何かを打つ可能性は - 実際には - まだ比較的遠いです。

第二に、これらの帆はダメージを受けても比較的しっかりした状態を保つように特別に設計されました。たとえば、NEAスカウトを取ります。 NASAは、あちこちでわずかなスペースのゴミが当たっても、そのライトセールが構造的完全性をどれだけうまく維持できるかをテストしました。壊滅的な怪我がない限り（例えば、テキサスの大きさの宇宙船に入っている小惑星のように）、NEAスカウトはNASAからの命令に応じて前進して機動することができます。

Starshotのナノクラフトは同様にこれらの問題と戦わなければなりません。彼らのライトセールは数メートル規模の何かに伸びると予測されているので、それらはかなり小さくなるでしょう。しかし、それらはたった数百原子の厚さで、質量は約1グラムです。それらは宇宙の周りに浮かぶほぼあらゆる種類の接近している数のオブジェクトを回避するのに十分小さいです - しかし、それらが打たれる不運なオッズでは、宇宙船全体が破壊される可能性があります。そして私達はアルファCentauriの塵の内容についての何も隣に知らない。

しかし、ナノクラフトだけで対処しなければならない大きな問題が1つあります。それは、光ビームの打ち上げ中にバラバラにならないことです。この帆は、ある瞬間に地球に当たる日光の約60倍に当たるビームが当たると予想されます。帆は溶けるのを防ぐだけではなく、大気の力で砕かれることなく宇宙に入ることもできます。レーザーの10万分の1と推定される部分は、帆を蒸発させるのに十分すぎるほどです。これはかつて行われたことがない。この部分を正しくする前に、Starshotプロジェクトでどれだけのテストを実施する必要があるのか​​はわかりません。

スターチップはどのように機能しますか？どんな種類のデータを収集することになっていますか？

スターチップス - 1グラムの規模で作られていて、手のひらに収まることができる - は、Curiosity roverやKepler Space Telescopeのようなものが私たちを助けている最先端のシステムではありません。宇宙のさまざまな世界を研究すること。それらはとても基本的なものになるでしょう。目標は、4台のカメラ（それぞれ2メガピクセル）をチップに貼り付けることです。これにより、Alpha Centauriとシステムのさまざまな惑星と月の非常に基本的なイメージングが可能になります。

そのデータは、格納式のメーター長のアンテナを使用して地球に送り返されるか、あるいはおそらく信号を地球に向けて集束させることができるレーザーベースの通信を容易にするために使用されます。

それは十分に標準的なようです。これらの画像は、正確には何を示しているのでしょうか。

そこには別の未知のものがあります。天文学者は、他の世界が住む可能性があると評価するとき、惑星の温度、組成、ホスト星からの距離、現在の大気の兆候など、さまざまなデータを調べています。このようなものの多くは、電磁スペクトルを横切って見ることができるさまざまな種類のカメラを通してのみ測定可能です。この時点でのナノクラフトは、私たちのスマートフォンで使っているものと違ってカメラで動いていることでしょう。それは、惑星や月が何らかの種類の生命を維持することができるのか、あるいはすでに生命の兆候を示しているのかを本当に理解するためにはほとんど役に立ちません。

それでも、あなたが目標と考えるとき、それはある複数の小型宇宙船を遠方のシステムに送り出すことです。 複数 20年も経たないうちに何年も経たないうちに、どこかでコストを削減する必要があります。

たとえこのことがAlpha Centauriへの旅を生き残ったとしても、それはどのようにして十分な有用なデータを集めるのに十分な長さで生きることになっているでしょうか？

長寿はStarshotプロジェクトにとって非常に重要です。ナノクラフトは、研究の可能性を最大限に引き出すためには、数十年間パワーを維持する必要があります。このため、画期的なイニシアチブでは、重量が150ミリグラム以下のプルトニウム238またはアメリシウム241をベースとする車載エネルギー源を提案しています。

基本的に、プルトニウムやアメリシウムの同位体が崩壊すると、写真を撮ってそれらを地球に送り返すのに必要なStarChipコンポーネントをオンにするウルトラキャパシタを充電するでしょう。ナノクラフトの前面表面温度が他の世界の大気に接近し始めるにつれて上昇することを利用するために、熱電エネルギー源を実装することもできる。

太陽光発電 - 太陽光をエネルギーに変える - も検討中です。約6年前に日本でテストされたソーラーセイルの試作品であるIKAROSは、ソーラーセイルの表面を太陽光発電で塗装しました。ナノクラフトが最終的に太陽系の境界を超えたときにこれは実用的ではありませんが、その間バッテリーの電力をさらに節約するのに役立ちます。

大きな問題は、このような安価な素材を20年から50年かけて存続させることができるかどうかです。理想的なシナリオでは、おそらく発生する可能性が高いのは、各ナノクラフトが比較的短い期間（約数ヶ月間）のデータ収集しか期待されないということです。 Milnerとcompanyが本当にこれらのものを大量生産することに着手しているのなら、Alpha Centauriについてできる限り探求するためにあらゆる方向に束を送ることに問題はないはずです。我々が直接介入して彼らの動きを新しい方向にシフトさせることができなければ、一人一人が何年にもわたって操業することを期待することは非常に非現実的です。

コスト

Milnerの表明された目標は、iPhoneを作るのにかかるコストについて各ナノクラフトを作ることです。 SmartChipとlightsailのコンボはそれぞれ数百ドル以下でなければなりません - そして目的は、年々高まるにつれてより優れたテクノロジを追加し続けることです。

実際には、このプロジェクトの最も高価な（そしておそらく最も実行不可能な）部分は光線です。私たちはいまいましいことに火をつけるために2分間で100ギガワットの電力について話しています。 1ギガワットで70万世帯に電力を供給できます。それで、7000万世帯には十分です。

複数の小国を行き来させるのに十分なだけの力です。それは典型的な原子力発電所で生産される量の100倍です。これだけのエネルギーを1つの場所に集めて、宇宙にたくさんのナノクラフトを打ち出すことをどうするのかというのは、実に驚くべきことです。

ブレイクスルーウェブサイトのコメンター1人によると、1つの光ビーム照射の総コストは7万ドルになる。

ええ、私達はそれについて見るでしょう…