ブレークスルー・スターショットに関する3つの質問

1億ドルのブレークスルー・スターショット計画は、レーザーを使ってチップサイズの探査機の群れを打ち上げ、およそ20年かけてアルファ・ケンタウリまで運ぶことを目指している。この野心的な計画には多くの課題がある。このプロジェクトはどうやって宇宙チップを別の恒星に打ち上げるのだろうか？

ブレークスルー・スターショットのエグゼクティブ・ディレクターのピート・ワーデン氏と、同プロジェクトの科学顧問のフィリップ・ルービン氏は、同プロジェクトが直面する3つの大きな疑問について語った。

1億ドルで実際にどれだけの恒星間探査が可能になるのでしょうか?

よくある誤解は、ブレークスルー・スターショットは初期投資の1億ドルだけで探査機をアルファ・ケンタウリに送る予定だということだ。実際、最終的なシステムのコストは、欧州原子核研究機構（CERN）の大型ハドロン衝突型加速器（LHC）など他の大規模科学プロジェクトのコストと同程度、「約100億ドル」になるかもしれないとワーデン氏は言う。

1億ドルで購入できるのは「前進するために絶対に不可欠な研究開発」だとルビン氏は言う。ブレークスルー・スターショットは、わずか1グラム程度の実用的な宇宙船の建造、高エネルギーレーザービームに何分も耐えられる帆、膨大な量のエネルギーを生成し貯蔵できる電力システム、そして数万マイル離れた小さな動く標的に焦点を合わせることができる前例のない強力なビームを生成するために同時に発射し同期できるレーザーなど、恒星間ミッションが直面する20以上の主要な技術的課題を特定した。

カリフォルニア大学サンタバーバラ校の実験宇宙学者で、ブレークスルー・スターショットの実現に貢献したルービン氏によると、このプロジェクトは現在、1億ドルの資金をどう使うか計画段階にあるという。「この初期資金で、10～100キロワット級のプロトタイプのレーザーアレイ、画像センサーやその他のセンサー、レーザー通信システムを備えたグラム単位の『スターチップ』、プロトタイプの帆を製作し、完全なシステムを構築する上での多くの技術的課題を探ります」と同氏は語る。

この計画では、他の企業が構築して打ち上げた惑星間ミッションにスターチップのプロトタイプを載せ、太陽系内でのミッションでスターチップがどの程度の性能を発揮するかを確かめることもできると、ルビン氏は言う。スターチップの利点は、大量生産できるため、宇宙船1機あたりのコストが非常に低く、大量の宇宙船を配備できることだ。「たとえば、通常の惑星間ミッションでは、1キログラムの積載物で約1,000個のスターチップを運ぶことができます」と同氏は言う。

初期調査の主な焦点は、プロジェクトで最もコストがかかる部分を特定し、そのコストを削減する方法を見つけることです。

「私たちは、時間の経過とともに技術的な能力が向上するだけでなく、その過程で特定の重要な領域で価格が大幅に下がることを期待しています」とルビン氏は言う。コンピューターのパワーとコストが時間の経過とともに向上したのと同じように、フォトニクスの進歩によってレーザーアレイ技術のコストとパワーの両方が向上することを期待している。

この基礎研究の実施後、プロジェクトは直径数十メートルのプロトタイプ レーザー アレイの作業を開始します。これは最終システムよりかなり小さいですが、打ち上げ時に最終システムが直面するすべての主要な課題に対処するのに十分な大きさです。「これには約 10 億ドルの費用がかかります。おそらく 5 億ドル、あるいは 12 億ドルです」とワーデン氏は言います。このレーザー打ち上げプロトタイプがあれば、「探査機を打ち上げ、さまざまな地球軌道に配置し、おそらく月まで送ることができます」とルビン氏は言います。

研究者がプロトタイプの徹底的なテストと実験を終えると、最終的なシステム、つまり 1 平方キロメートル規模のレーザー アレイを構築できるようになります。プロトタイプと最終的なシステムのコストは莫大なものになり、その資金は民間の寄付者や政府から提供される可能性があります、と Worden 氏は言います。

ブレークスルー スターショットが恒星間航行を開始する前に、太陽系の神秘的な一角を探索する惑星間ミッションを開始する可能性があります。「非常に興味深い中間ミッションは、探査機を恒星間空間近くまで送り、そこにある粒子と場を測定することです」とワーデン氏は言います。「現在、恒星間物質がどのようなものであるかについては、少なくとも 1 桁の不確実性があります。」

ブレークスルー・スターショット探査機はどのようにして地球にレポートを送信するのでしょうか?

ブレークスルー・スターショットは現在、1ワットのレーザーを使ったグラム規模のスターチップを地球に送り、通信することを構想している。これほど小さなレーザーでデータを効率的に地球に送り返すことはできるのだろうか？プロジェクトには解決策があるとしている。

各探査機からのデータを受信するために、このプロジェクトでは、スターチップを打ち上げたレーザーアレイを、各小型宇宙船からのレーザー信号を受信できるほど感度の高い大型の「フェーズドアレイ」望遠鏡としても機能させることを提案している。アレイは多数の送信機で構成され、それぞれが赤外線または近赤外線の波長で放射する。アレイの各要素を送信機だけでなく受信機としても機能させることは難しくないだろう。

探査機は推進力を得るために使用する反射帆を鏡として利用し、地球との通信用のレーザーを集中させることもできる。

アルファケンタウリや他の恒星からのまぶしさによってスターチップからの光信号がかき消されてしまうのを防ぐため、各探査機は極めて狭帯域のレーザーを使用する。これは本質的に非常に特徴的な色の光であり、研究者は空の他のすべての光と区別できる。

ルビン氏は、各スターチップはほぼ毎秒 1 キロビットの速度で地球に直接データを送信できる可能性があると計算しています。さらに、データ送信を改善するためにプロジェクトが採用する可能性のある他の戦略もあります。たとえば、ブレークスルー スターショットはアルファ ケンタウリに 1 機の探査機を送る予定ではなく、何千機もの艦隊を次々に打ち上げる可能性があります。「1 機の探査機が別の探査機にデータを送り、そのデータも別の探査機に送り返すというバケツリレーを想像してみてください」とルビン氏は言います。「ただし、これははるかに複雑です。各探査機が他の探査機の位置を把握する必要があるため、望ましい解決策ではありません。」

このプロジェクトはグラム規模の探査機に限定されるものではなく、ルビン氏が恒星間飛行に向けて設定したロードマップでは、「送りたい探査機の質量、大きさ、能力に関してはかなりの柔軟性があるが、より強力なレーザーがない限り、宇宙船が大型化するほど速度は遅くなる」とルビン氏は述べている。

ブレークスルー・スターショットの巨大レーザーアレイは武器として使用できないのでしょうか?

ブレークスルー スターショットは、地上に 100 ギガワットの強力なレーザー アレイを構築することを目指しており、アルファ ケンタウリへの探査機打ち上げ時に「今日の大型ロケット打ち上げと同程度のエネルギーを放出する」とワーデン氏は言う。宇宙の標的を爆破するために設計された巨大なレーザー砲を構築するというアイデアは、テロリストがアレイをハイジャックして宇宙戦争を行うというトム クランシー風のシナリオを容易に思い起こさせるかもしれない。

レーザーアレイが実際に建設された場合、1 日に数分しか発射されないため、意図しないターゲットにダメージを与える可能性は限られるとワーデン氏は指摘する。また、アレイの活動スケジュールを国際的に調整し、ビームが飛行経路を横切らないようにする。「ホワイトハウス、NASA、欧州宇宙機関の関係者とすでに話し合いを済ませており、近いうちに世界中の他の宇宙機関の責任者や国家安全保障関係者とも話し合う予定です」とワーデン氏は言う。さらに、連絡を取る可能性のある別の機関は、国連宇宙空間平和利用委員会だと同氏は付け加えた。

現在、レーザーは平和目的で定期的に上空に発射されている。たとえば、ジェミニ天文台はハワイでレーザーを使用して、大気が観測に及ぼす可能性のある歪みの影響に対処している。米国で上空にレーザーを発射する者は、まず米国空軍のレーザー情報センターから許可を得る必要がある。他の国々もレーザー情報センターと連携することが多く、いつかはブレークスルー スターショットのレーザーに対処するのに役立つかもしれない。「私は個人的にレーザー情報センターについてよく知っています」と、退役した米国空軍准将のウォーデン氏は言う。

レーザーアレイが乗っ取られるかもしれないという懸念については、「もし悪意のある人がそれを手に入れたら、多くの悪事を働くことは想像できますが、悪意のある勢力がロケットを掌握した場合も同じことが言えます」とワーデン氏は言う。「それを構築する段階に達する前に、私たちは間違いなく、最後の瞬間にオンにできるキルスイッチなど、国際的に承認された制御方法を採用するでしょう。これらの制御は、今日の大型ロケットの打ち上げに使用されているものと似たものになるでしょう。」