回折ソーラーセイルはどのようにして秒速100kmの凶悪小惑星を阻止できるのか

小惑星には、いつか地球に衝突するかもしれないという警告ラベルは付いていません。これを実行中の企業は知りませんが、毎年何千もの新しいものが発見されており、その可能性は常にあります。私たちは、この不測の事態に対処するための実行可能な技術を証明しました。DART ミッションは、基本的に小惑星を進路から押し出すように設計された大きなロッドである「キネティック インパクター」を使用して、小さな小惑星を動かすことに成功しました。しかし、DART には大きな欠陥が 1 つありました。DART は小惑星と同じ方向に移動し、背後から小惑星に接近し、最終的に小惑星の周囲を周回中に発射された衝突装置で衝突しました。この技術は十分な警告があれば機能する可能性がありますが、成功するには何年にもわたる軌道上での機械操作が必要です。北京航大学の研究者らによって提案された代替案は、新型のソーラーセイルを使用して、潜在的に危険な小惑星を正面から衝突させて方向を変えるというものだ。

インパクターを使用して小惑星の向きを変えるには、結局のところ、エネルギーという 1 つの単純な要素が必要になります。衝突体から小惑星に伝達されるエネルギーが多ければ多いほど、小惑星はより多く移動します。そして、エネルギーの素晴らしい点は、速度の二乗に応じて増加することです。言い換えれば、何かを速く打つほど、より多くのエネルギーを与えることができます。

DART は、目標の小惑星であるディモルフォスに秒速約 6 km で衝突しました。これはかなりの速度ですが、同じ方向から来たという事実によって制限されました。新しい論文によると、ソーラーセイルを使用した衝突体は、高速道路の逆走者と同様に、接近してくる小惑星に衝突し、秒速約100kmで目標に衝突する可能性があり、DARTテストの質量1キログラムあたり約230倍の衝撃を与えるという。

フレイザーは、凶悪な小惑星をどのように阻止できるかについて語ります。

問題は、宇宙船が反対方向に移動していることです。地球を含め、ほとんどすべてのものは太陽の周りを反時計回りに回っています。したがって、何かが地球から打ち上げられるとき、それはすでにその方向に移動しています。この方向を反転して時計回り (逆行) の軌道に入るには、控えめに言っても多くのエネルギーが必要です。化学ロケットにはそれができません。ツィオルコフスキーのロケット方程式の横暴により、その操作を完了するのに十分な燃料を運ぶことが不可能になります。しかし、ソーラーセイルならそれが可能です。

ソーラーセイルは、太陽放射圧、つまり光子が何かに衝突したときに与える小さな力を利用して機能します。従来の化学ロケットやイオンロケットのように燃料を必要とするのではなく、基本的に太陽光で航行します。 1990 年代に、イタリアの技術者ジャンカルロ ブルペッティは、この技術を使用して、ソーラー セイルを彼が呼ぶ H 反転軌道に入れることができることに気付きました。これは本質的に、セイルを後方に周回させ始める方法です。

このテクニックでは、まず帆をブレーキとして使用し、ボートの角運動量を遅くします。太陽がゼロになると、太陽の重力が働き、船を私たちの恒星に向かって深く潜らせます。しかし、ブルペッティの軌道では、船の最接近時（近日点）に帆が反動し、スリングが逆行軌道で外側に回転します。これは、衝突体を正しい方向に動かし、小惑星に大量のエネルギーを供給するための素晴らしい解決策のように思えます。問題が 1 つだけあります。ソーラーセイルは不器用なことで有名です。

フレイザー氏は DART テストの結果について語ります。

私たちはいくつかの宇宙でのテストに成功しました。JAXA の IKAROS ミッションや惑星協会の LightSail 2 は、本質的に巨大な鏡として機能する従来のソーラーセイルの例です。彼らの場合、そこから反射する光は、到達したときと同じ角度で出ていきます。推力は常にキャンバスの表面に対して垂直です。この状況は、H リバース軌道には理想的ではありません。太陽に対して極端な角度でセイルを傾ける必要があるため、太陽光が当たるターゲットがはるかに小さくなり、セイルの効率が大幅に低下します。

回折ソーラーセイルに乗り込みます。これらのキャンバスの材料は、従来の反射フィルムの代わりに微細構造の光学アレイを使用して作られており、キャンバス自体を回転させることなく光を横に回折します。これは、近日点であっても帆は太陽に向かって完全な顔を保つことができますが、推進力すべてを横方向に移動させることを意味します。これにより、姿勢制御が大幅に簡素化されますが、それでもこの困難な軌道操作を実行するために必要な多大な努力が可能になります。

研究者らは、この H 反転軌道に対していくつかの異なるタイプのソーラーセイル構成をシミュレーションし、反射回折セイルが明らかに勝者であることを発見しました。彼らのシミュレーションでは、その男だけが太陽に落ちたり、太陽系から完全に押し出されるような軌道に打ち上げられたりしませんでした。しかし、適切な種類の帆を見つけることは最初のステップにすぎませんでした。彼らの 2 回目のシミュレーションでは、別の有名な小惑星、アポフィスに何が起こるかの一例が示されました。

フレイザー氏はソーラーセイルの素晴らしさを語ります。

アポフィスは幅 340 m の小惑星で、2029 年 4 月 13 日に地球から 38,000 km 以内に接近します。それだけでは転用の根拠にはなりませんが、研究者らはこのよく研究された小惑星で何ができるかを検討することにしました。彼らは回折反射セイルを 2 つの異なる構成でシミュレーションしました。1 つは永久的な回折角に設定され、もう 1 つは適度な角度を切り替えて太陽に向かって沈み、その後約 90 度の近日点に近づけることができます。

どちらのバージョンも、打ち上げから約 200 ～ 300 日以内に、秒速 100 km の衝突体をアポフィスに直接届けることができました。これにより、標準的な反射型ソーラーセイルのミッション時間がほぼ 1 年短縮されます。この時間の差は、たわみと衝撃の間の差になる可能性があります。

潜在的に危険な小惑星の進路をそらすためにこの技術を使用する必要がなくなることを祈りましょう。しかし現実的には、私たちはいつかそのような事態に直面するでしょう。そして、この技術が、私たちがこれまでに証明した、より些細な共軌道衝突よりも何百倍ものエネルギーを供給できるということを知ることは、心強いことです。たとえ奇跡的にそれを使う必要がなかったとしても、少なくとも私たちは、これらの危険に対処するための別のツールが私たちのベルトにあることを知っています。

もっと詳しく知る：

J. Zhang et al. – 回折 H-Varia 反転軌道: 理論的な実現可能性、設計戦略およびアプリケーション

UT – 惑星社会が LightSail のソーラー セイルを導入 2. ソーラー セイルの将来はどうなるでしょうか?

UT – NASAのDARTミッションも太陽の周りのディディモスの軌道を変えた

UT – DARTからの新しいデータによると、小惑星の偏向は単純ではない