ジュノーが太陽光発電宇宙船の距離記録を破った経緯

NASA のジュノー宇宙船はロボットレースの最後にリボンを吹き抜け、太陽エネルギーを使用した最長距離飛行の記録を更新しました。宇宙船は 7 月 4 日に木星に着陸する予定です。

太陽電池式の宇宙船は非常に一般的ですが、宇宙のここまで遠くまで使われることはありません。それにはちゃんとした理由があります。木星の太陽光の量は、地球の 25 分の 1 です。通常、これはバスケットボール コートほどの大きさのジュノーのような宇宙船を動かすにはエネルギーが足りませんが、実際には十分なのです。それにはいくつかの異なる要因があります。

太陽の輝く場所

ガリレオは木星を周回した最初の、そして唯一の宇宙船だった。1989年に打ち上げられた当時、太陽電池パネルの効率は深宇宙で機能するには低すぎた。光エネルギーのわずか12%しか電気に変換されなかった。しかし、ロッキード・マーティンが2003年にジュノーを設計したとき、効率は2倍以上の28%に向上し、5億マイル離れた太陽のわずかな光のみで電力を得る初の深宇宙ミッションに十分なものとなった。

通常、キュリオシティ探査機、カッシーニ、ニューホライズンズ、ガリレオなどのロボット宇宙船は、搭載された RTG (放射性同位元素熱電発電機) から電力を得ています。これらは、放射性物質 (この場合はプルトニウム) から放出される熱を利用して発電します。RTG は、冷たい宇宙空間で高価な宇宙船の壊れやすい電子機器にエネルギーと熱を供給する優れた方法ですが、RTG の使用にはいくつかの問題があります。放射性物質は非常に危険で、打ち上げの責任が増し、非常に高価です。また、核不拡散の時代には製造が困難です。そのため、NASA には RTG 宇宙船用バッテリーがわずかしか残っていません。

ジュノーの構想が最初に始まったとき、ジュノーに RTG 電源を供給するのに十分なプルトニウムがまだ存在していましたが、それは考慮されていませんでした。

「ジュノーをRTGで設計することは考えたこともありませんでした」とロッキード・マーティンのジュノーエンジニア、ケビン・ルドルフは言う。「最初から太陽光発電でやると決めていました。」ジュノーは、ニューホライズンズや小惑星探査機オシリス・レックスなど、NASAの低予算ニューフロンティアミッションの1つだったため、ジュノーチームは物事をシンプルにしなければなりませんでした。「カッシーニのRTGが大体どれくらい高価かはわかっていましたし、それらはプルトニウムがまだかなり残っていたときに作られたものです」とルドルフは説明する。「プルトニウムの供給が十分だったとしても、それでも非常に高価だったので、それは私たちにとって選択肢ではありませんでした。」

効率性を重視した設計

ジュノーには 30 フィートの太陽電池パネルが 3 つあり、合計 18,698 個の太陽電池が取り付けられています。合計で約 500 ワットの電力を出力しますが、これはジュノーのすべての科学機器を作動させ、電子機器を保温するには十分すぎるほどです。

このミッションを可能にしたのは、改良された太陽光発電効率だけではなく、宇宙船のあらゆる要素の固有の設計です。科学者とエンジニアは、機器を可能な限りエネルギー効率が高くなるように構築し、太陽電池を活用するようにミッションの軌道も計画しました。

ロッキード社のエンジニアは、ジュノーがほとんどの時間太陽を向き、太陽エネルギーを蓄えるように設計した。このユニークな極軌道により、木星が探査機を覆い隠すことがなくなり、一定の電力が供給される。

ジュノーをロケットに取り付ける前にこのシステムが機能することを確認するため、エンジニアたちは太陽電池をテスト室に入れ、木星にいる間宇宙船が過ごす温度である華氏マイナス 290 度の氷点下まで冷却しました。パネルが凍っている間に、チームはパネルに非常に弱い光を当て、同時に電子銃でパネルを照射して木星の過酷な放射線環境を模倣しました。「このテストを行うことで、ジュノーを稼働させるのに必要な太陽電池パネルの数を計算することができました」とルドルフは説明します。「必要な面積は 50 平方メートルであることが判明し、それを 3 つの翼に分割しました。」

太陽の下のどこにでもあるわけではない

13年前に行われたこの設計上の選択により、ジュノーは深宇宙ミッションの運用方法に革命をもたらしました。これは、木星系に旅する将来の宇宙船にとって、太陽エネルギーで動く生活が新しい標準になる可能性があることを意味します。残念ながら、土星などのさらに遠くのミッションは、現時点では太陽エネルギーで動く訪問者を受け入れるには遠すぎます。土星は木星からさらに12億マイル離れているため、宇宙船を動かすのに十分な太陽光がありません。しかし、地球上で太陽エネルギー技術が進歩し続けるにつれて、効率は向上し、いつか太陽光エネルギーだけで動くさらに深い宇宙ミッションにつながる可能性があります。

NASA にはプルトニウムの備蓄がわずかしか残っていないため、土星、海王星、天王星、カイパーベルトなどの場所へ出向くミッションの数は最終的に制限される。しかし幸運なことに、昨年、エネルギー省が NASA と提携してプルトニウム 238 の新たな供給を開始し、最終的に NASA の RTG の棚が補充されることになった。

ジュノーは、17億マイルの旅を経て、7月4日に木星に到着します。到着時には、さらにいくつかの記録も破ることになります。ジュノーは、地球から時速165,000マイルという驚異的な速度で遠ざかる史上最速の宇宙船になるだけでなく、歴史上どの宇宙船よりも木星に近い軌道を周回し、木星で撮影された最高解像度の画像を提供します。低予算の太陽光発電科学ロボットとしては、悪くない結果です。

ジュノーのミッションは、木星に固体の核があるかどうかを調べることであり、木星のような巨大ガス惑星がどのように形成されるかをより深く理解するために大気圏を覗くことになる。木星は太陽系最大の惑星であるため、太陽系がどのように形成されたかに関する多くの答えが隠されており、地球がどのように形成されたかについてもより詳しい情報を与えてくれるかもしれない。

Popular Science は、ジュノーのフライバイを NASA ジェット推進研究所で取材します。私たちの取材記事は、こちらでご覧ください。

訂正 2016 年 7 月 1 日 14:33: この記事の以前のバージョンでは、ジュノーと太陽の距離が誤って記載されていました。誤りをお詫び申し上げます。