Lightsail は、太陽からの光子の絶え間ないシャワーを使用して、宇宙の真空を横切って推進する新しい推進技術です。この非常に効率的で革新的な推進方法は、光子推進と呼ばれます。
宇宙は広大な場所であり、想像を絶する量の探索があります。しかし、宇宙に浮かぶ住居は天文学的に互いに遠く離れています。最近、ボイジャー 1 号は驚異的な成果を上げました — 太陽系を脱出し、地球から最も遠くに到達した人工物であると見なされています…I 1977年に地球を離れた!
問題は非常に明白に思えます — 化学推進システムや従来のロケット燃料は、意図が他の天体系を探査することである場合、悲惨なことに弱く、時間がかかります.これらの従来の燃料源によって生成される速度は、そのような遠く離れた進歩には非常に小さい.
仮説的には、フライバイ探査機が新しい惑星、おそらく居住可能な惑星を垣間見ることができたとしたら、それが太陽系の境界を越えて無に向かって行進しているときに、当然、困惑した天文学者が専用の探査機を送ってそれを研究しようとするでしょう。しかし、そのゆっくりとした宇宙船が目的地に到着して何らかの結果を得るには、平均的な人間の寿命の半分以上である約40年かかります.好奇心旺盛な 50 歳の天文学者は、人類の歴史全体で最も重要な発見を見逃す可能性があります。
何か新しいものが必要です。現在、宇宙船が火星に到達するのに約 300 日かかるところを、新しい技術は 3 日で移動できると主張しています。このテクノロジーは、燃料を激しく燃焼させるのではなく、絶え間なく存在する太陽からの光子の絶え間ないシャワーを利用して、宇宙の真空を横切って突き進むことを選択します。この非常に効率的で革新的な推進方法は、光子推進と呼ばれます。ただし、詳細に入る前に、ほとんどの人がこのテクノロジーについて尋ねる基本的な質問が 1 つあります…
質量がない場合、光はどのようにしてプローブに力を与えるのですか?
光の速度より速く移動できるものはありません。すべてのオブジェクトの速度に対するこの制限は、その質量によって課されます。光子は質量を持たないため、宇宙で最も速く移動する存在です。しかし、光にはまだ十分な運動量があります。太陽から皮膚に当たる光は、熱と運動量を与えることでその原子を乱しますが、その変化は非常に小さいため、感知することはできません.
粒子が散在しているため、影響は無視できます。粒子は、ランダムな発散パターンで肌を攻撃します.それを、レーザーの簡潔で鋭い性質と比較してください。その鋭さは、10 億個の光子がぎっしりと詰まったクラスターの結果であり、エネルギーと運動量を一点に収束または集中させます。このような放射線への被ばくは、被曝者に放射線圧として知られる圧力をかけます。
したがって、太陽から放射されるまばゆいばかりの光は、エネルギーと運動量を持っているだけでなく、エネルギーと運動量を伝達し、圧力で他の物体を移動させることもできます。この場合、宇宙船全体です!
ソーラーセイル
ソーラーセイルは、本質的に巨大な鏡を形成する高反射性、超軽量、超薄型の素材で構成されています。シートは、一般に、出発製品としてアルミニウムまたは別の適切なプラスチックを使用して作られます。宇宙の無重力状態では、放射圧は力に変換され、セイルの表面積を増やすことで力を高めることができます。これが、ソーラーセイルのサイズが非常に大きく、通常は数千平方メートルである理由です。
仕組み
その機能はまさにその名前が示すとおりです。フォトニック推進力は、海でボートが下向き (突風の方向) に航行するのと非常によく似ています。船は「風を受ける」帆で前に進みます。同様に、フォトニック推進システムでは、「光を捉える」ためにソーラー セイルが必要です。
(写真提供:Pixabay &NASA)
入ってくるあふれんばかりの光子は、帆の粒子に力を及ぼします。粒子は、ニュートンの運動の第 3 法則に忠実に従っており、反対方向に等しい力を及ぼします。これは、ビリヤードの試合でキュー ボールが 8 ボールを打ち、正面衝突の後で 8 ボールが異なる方向に移動するのに似ています。ソーラー セイルが反射率の高い素材で構成されているのも、このためです。セイルに入射する光子が 1 粒たりとも吸収されないようにするためです。
天文学者はまた、高エネルギーのレーザー光源を使用して、太陽光が距離とともに暗くなったり、頑丈な小惑星の後ろを移動したりしても、探査機の速度が低下しないようにすることを計画しています。レーザー源は、地球の真上、または遠く離れた惑星の軌道上に空中に吊るすことができ、トーチをセイルの拒否面に直接向けることができます。
ただし、1 つの制約は、このソース自体のエネルギー源です。計算によると、必要なエネルギーは、今日全世界で使用されている電力に相当する可能性があります!さらに、帆はテキサスの大きさでなければなりません!
(写真提供:Photon999 / ウィキメディア・コモンズ)
火星に到達するのに 3 日しかかからないのはなぜですか?
十分な時間があれば、ソーラーセイルを装備した宇宙船は、従来の技術で推進されるロケットと比較して、最終的にはるかに高速に加速します。その速度は、光速の 30% に達すると推定されています。概観すると、ボイジャー 1 号は、世界の制限速度の 0.0007% で移動しました!本当に信じられないほどの飛躍です。
非常に速い速度では、宇宙船の取り扱いに疑問を抱く可能性があります。ボートを操舵する鍵は、非対称推力を生成することであり、科学者たちは、この不可解な障害に取り組むために、同様に独創的な解決策を考え出しました.セイルは、特定の領域に適用されると、セイルを暗くして反射性をなくす電圧によって電力を供給できます。その時点で、それらの領域は光を反射するのではなく、吸収します.
これは、帆を傾けてボートの進路を変えるような印象を与えます。ソーラーセイルを文字通り傾けて探査機を操縦することもできますが、それにはボートのマストをエミュレートする追加の機械部品が必要になります。
宇宙凧
光子推進の概念は新しいものではありません。このアイデアは、数人のロシアのロケット科学者によって 1920 年代までにすでに着想されていました。しかし、極薄で軽量なセイルは、宇宙船が地球外への探査/研究旅行で運ぶことになっていた重機と統合できませんでした。コース全体でプローブを動かす推進力は、その質量の線形関数です。質量が重いほど、変位が難しくなります。簡単に言えば、軽い物体はより速く移動します。
しかし、半導体技術の出現と電子部品の小型化により、最終的にこの考えが実証されました。電子革命により、光子のみを動力源とする探査機は、写真を撮り、化学組成を研究し、天体の運動学に関する情報を取得するのに十分な機器を首尾よく運ぶことができました.
コンポーネントのサイズが小さくなると、ソーラーセイルのサイズもより合理的になり、通常は巨大ではなくなります。広げられた帆と中央の小さな箱を遠くから見ると、探査機は宇宙の凧が輝いているような印象を与えるかもしれません.
(写真提供:Steevven1 / ウィキメディア・コモンズ)
2010 年 5 月、日本の宇宙機関は、地球外ベンチャーのためのソーラー セイルとフォトニック推進の実現可能性を説明しました。試験機が金星探査機「あかつき」に同乗。この宇宙船は、太陽の放射によって加速される惑星間カイトクラフト (IKAROS) と呼ばれ、地球から 430 万マイル離れたときに探査機によって宇宙に放出されました。 6 か月後、金星のそばを無事に通過し、歴史に名を残しました。それはまさに記念碑的な偉業でした。
科学者たちは現在、このモードの推進力を使用して、太陽系に最も近い星系であるアルファ センチュライへのミッションなど、燃料を燃やす手間をかけずに、さらに勇敢な旅に乗り出すことを計画しています。また、従来の宇宙旅行の緩やかで退屈な上昇とは対照的に、これらの宇宙船は光速のほぼ 3 分の 1 で移動します。
帆は燃料を一切使わないので、太陽が照っている限り突き続けられます!
