ライトセイル2の成功は、より多くの太陽光動力宇宙船への道を開く可能性がある

スラスターを使った宇宙探査が検討されるずっと前から、ドイツの天文学者ヨハネス・ケプラーは、太陽が彗星の尾を吹き飛ばすように見えることに気づき、天の風に乗って移動する夢を描いていた。「天のそよ風に適した船や帆を用意すれば、その虚空さえも勇敢に切り抜ける者が出てくるだろう」と、1608年にガリレオ・ガリレイに手紙を書いている。

それから 4 世紀後、クラウドファンディングで開発された宇宙船、ライトセイル 2 が、まさにそれを実現する最新の宇宙船となった。私たちが知っているような風は宇宙には吹かないが、この宇宙船は別のものを直接利用できる。それは、地球を周回する軌道を微調整する太陽光線のわずかな力だ。民間の宇宙探査組織である惑星協会は、この宇宙船の開発を先導し、光沢のある帆の裏側に光が当たることで生じるわずかな力が輸送手段として十分であることを証明した。この技術は、将来、新しいタイプの宇宙ミッションの道を開き、破壊的な太陽嵐に関する重要な洞察をもたらす可能性がある。

ライトセイル 2 チームは、約半年に及ぶ実験を経て、究極の太陽光発電宇宙船の操縦に必要なことを習得した。国際宇宙ステーションの数百マイル上空を周回しているが、地球の大気の最も薄い層はさらに遠くまで広がっており、衛星をゆっくりと破滅へと引きずり込んでいる。この宇宙船は、地球から飛び立つほどの空気抵抗を一貫して克服できていないが、操縦性が向上したことで、宇宙船の沈み込みが著しく遅くなり、時には逆転することさえある。

「軌道のエネルギーを増大させることができた間隔もいくつかありました」と、パデュー大学の博士課程の学生で、この宇宙船のこれまでの性能について最近発表された論文の共著者であるジャスティン・マンセル氏は言う。「それが私たちのミッションの成功を正当化しました。」

ライトセイル2号は、人類が太陽光線で航行することに初めて成功したわけではない。その栄誉は、日本の宇宙船「イカロス」が獲得した。イカロスは縦横約50フィート、重さ数百ポンドの宇宙船だ。2010年、イカロスは金星に向かう途中、惑星間空間で太陽光から測定可能な推進力を捉えた。

ライトセイル1号は、2015年に安全に宇宙に到達した次のソーラーセイルとなった。この試験機は帆を広げるという主な目的には成功したが、方向を制御する方法がなかったため、すぐにもがき、地球に向かって落下し、大気圏で燃え尽きた。

惑星協会は、この続編が、2つの試作機に総額700万ドルを寄付した5万人以上の寄付者の希望と夢を実現することを期待していた。昨年6月、国防総省の衛星24基とともにスペースXのファルコンヘビーに搭載され、地球から400マイル以上の高度の軌道に入った。これは前作のほぼ2倍の高さだ。チームは、薄い空気と適切な制御システムを利用して、高度調整機能を備えたソーラーセイルによる真の飛行を目指した。

しかし、この乗り物の制御を学ぶのは順風満帆ではなかった。広げると、超軽量の帆（マイラーという素材で作られている）はボクシングのリングを覆うことができるほどだが、操縦力はすべて、真ん中にくっついた食パンほどの大きさの本体から生み出される。ライトセイル2は重さがわずか11ポンドで、これまでのソーラーセイルの中で最高の重量対サイズ比と最速の加速を誇る。しかし、その最高性能ゆえに制御が面倒で、船乗りなら誰でも知っているように、目的地にたどり着くには厳密な制御が不可欠だ。「奇妙なことに船の航行に似ている部分があります」と、2018年に陸上船舶の航行資格を取得したマンセルは言う。

ライトセイル 2 号は、太陽から遠ざかるときに最も速く航行します。これは、星の光線が船を「風下」に押しやるからです。軌道のその部分では、チームは船を太陽から遠ざけて光を最大限に当てられるようにします (突風の中で傘をさすのに最も危険な位置を想像してください)。しかし、1 時間半の軌道の後半で、船は地球の影に滑り込みます。これは太陽帆船にとっては無風状態です。その後、反対側に回り込み、太陽光の圧力に逆らって「風上」に向かいます。軌道のこの部分では、チームは帆の端を太陽に向けることで押し戻しを最小限に抑えることを目指しています。

機体の操縦には 2 つのシステムがある。控えめなボディには小さな「運動量ホイール」が付いており、これを回転させると機体が反対方向に回転する。ライトセイル 2 には磁場を生成する 2 つの通電金属コイルも備わっている。これらのコイルは地球の磁場を捉えることができ、オペレーターは宇宙船の方向を調整できる。最も効率的な操縦方法を見つけることが、太陽帆走の学習曲線の大部分を占めるとマンセル氏は言う。

しかし、5か月の練習とデータ収集を経て、ソーラーセーリングの乗組員たちは、船の帆が浮上を助けていると確信している。乗組員が操縦装置から手を離している間、薄い空気の抵抗により、機体は平均113フィート地球に近づく。しかし、航行中は、ライトセイル2号は65フィートしか落ちない傾向がある。航行の最高の日には、チームは軌道を24フィート上げることができた。この帯域の宇宙からの衛星情報がまばらだったため、当初、チームはどのようなパフォーマンスを期待できるか確信が持てなかったとマンセル氏は言う。そのため、宇宙船は遠方大気の厚みの探査機としても機能している。

「航行は順調ですが、大気が通常より少し濃い日もあります」と彼は言う。「その高度で大気が少し薄い日には、軌道を上げるチャンスが高まります。」

定期的に軌道を上げるには、ライトセイル 2 号は地表から少なくとも 500 マイル上空から出発する必要があるとチーム メンバーは見積もっています。現在高度約 400 マイルの位置にあるこの機体は、下降スパイラルを続け、最終的には大気圏で炎上する運命にあります。おそらく今年の夏にそうなるでしょう。しかし、それまでにチームにはあと 2 つの実験を行う予定です。まず、機体を太陽にまっすぐ向けたまま、安定した進路を維持できるかどうかをテストする予定です。そして、ライトセイル 2 号が本格的に急降下し始めたら、方向を変えて落下速度を制御しようとします。

惑星協会は現時点ではライトセイル3の計画はないが、太陽帆の未来は深宇宙にあるとマンセル氏は言う。太陽帆は地球から遠く離れた場所でもっとも効果を発揮する。大気の痕跡が速度を低下させることがなく、常に影に隠れることもない場所だ。NASAは来年早々にも、近々発売されるスペース・ローンチ・システムの最初のテストで光駆動の宇宙船を打ち上げる計画で、ライトセイル2のチームがその打ち上げに協力している。地球近傍小惑星スカウトは、その名前が示すように、太陽帆に乗って近くの小惑星まで飛行し、偵察する。

将来的には、ソーラーセイルによって新しいタイプのミッションも可能になるかもしれない。従来の宇宙船は、軌道を素早く微調整するためにスラスタを使用するが、ヨハネス・ケプラーがかつて発見したように、惑星がたどるのと同じ楕円軌道にとどまるのが一般的だ。これらの天体の軌道は太陽の重力によって決まるが、太陽光による一定の推進力を加えることで、いわゆる「非ケプラー的」軌道が可能になる。たとえば、スラスタに頼る乗り物の届かない地点で、地球と太陽の間にソーラーセイル宇宙船を無期限にバランスさせることができる。太陽監視機器を装備すれば、このような前哨基地は、現在の宇宙ベースの太陽観測所よりも最大 12 倍も早く太陽嵐の警告を提供できる可能性がある。

マンセル氏は、ソーラーセーリングの将来に期待しており、その実現にチームとして貢献できたことに感謝していると語った。「多くの人々にとって非常に大きな意味を持つミッションに参加できたことは、素晴らしい機会でした。」