回折型ソーラーセイルは秒速100kmで殺人小惑星をそらせる可能性がある

小惑星には警告ラベルが付いていない。現在、地球と衝突コース上にある既知の小惑星はないが、天文学者は毎年数千個の新しい小惑星を発見しており、将来の衝突の可能性は真剣な惑星防衛計画を正当化するほど現実的である。DARTミッションは、運動エネルギー衝突体—本質的には小惑星をその軌道から押し出すために設計された大きな棒—が小さな小惑星を動かせることを証明した。しかしこの技術には重大な限界があり、北京航空航天大学のチームは別のアプローチを提案している。新しいタイプのソーラーセイルを使って危険な小惑星に正面衝突させるというものである。

なぜ小惑星防衛には複数の選択肢が必要なのか

複数の偏向方法を開発する根拠は不確実性から始まる。地球近傍天体のカタログは増え続けており、既知の小惑星の中で現在地球に向かっているものはないが、次の危険な天体は限られた警告時間で発見される可能性がある。偏向は単一の技術ではなく、それぞれ異なるタイミング、質量、エネルギー要件を持つ可能な対応策の一族である。

DARTはそれらの対応策の一つを実証した。小さな小惑星ディモルフォスに衝突することで、このミッションは運動エネルギー衝突体が小惑星の運動を変えられることを示した。その結果は惑星防衛にとって画期的な出来事だった。しかし、すべての運用上の問題を解決したわけではない。DARTの遭遇の幾何学は特に重要である。なぜなら、それが宇宙機がどれだけのエネルギーを伝えられるかを形作ったからである。

DARTが証明したことと未解決のまま残したこと

DARTは、小惑星をその軌道から押し出すために設計された大きな棒である運動エネルギー衝突体で小さな小惑星を動かすことに成功した。このミッションは基本的な技術が実行可能であることを証明した。しかしDARTには一つの大きな欠陥があった。それは小惑星と同じ方向に進み、後方から接近したことである。衝突体は宇宙機が小惑星の周回軌道上にある間に打ち上げられた。つまり衝突の幾何学は、小惑星自身の太陽周りの運動によって制約されていた。

このアプローチは十分な警告時間があれば機能し得る。しかし、それを成し遂げるには何年もの軌道力学的な機動が必要だろう。衝突体は目標に追いつき、その方向に合わせ、そして衝突しなければならない。実際の緊急時には、その何年もの時間は利用できないかもしれない。より速く、より直接的な選択肢—特に宇宙機の質量1キログラムあたりはるかに多くのエネルギーを伝えられるもの—が貴重であろう。

正面衝突のエネルギー論

衝突体で小惑星を偏向させることは、一つの単純な要因に帰着する。エネルギーである。衝突体から小惑星に伝わるエネルギーが大きいほど、小惑星はより動く。そしてエネルギーは速度の二乗に比例して増加する。言い換えれば、物体が速く衝突するほど、標的に与えるエネルギーは大きくなる。

DARTは秒速約6キロメートルでディモルフォスに激突した。それは立派な速度だが、宇宙機が小惑星と同じ方向から来たという事実によって制限されていた。北京航空航天大学の新しい論文によれば、ソーラーセイルを使った衝突体は小惑星に反対方向から接近し—逆走する高速道路のドライバーのように—秒速約100キロメートルで標的に激突できる。このより高い接近速度は、DART実験と比較して衝突体質量1キログラムあたり約230倍の力を与えることになる。

その違いはミッション設計にとって極めて重要である。秒速100キロメートルでの正面衝突は、比較的小さな衝突体が大量の運動量を伝えることを可能にする。力ずくの質量に頼る代わりに、ソーラーセイル衝突体は速度を活用して1キログラムごとを重要にできる。

逆行の問題

落とし穴は、宇宙機を反対方向に動かすことである。地球を含め、ほとんどすべてのものが太陽の周りを反時計回りに公転している。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動いている。その方向を逆にして時計回り、つまり逆行軌道に入るには、控えめに言っても大量のエネルギーが必要である。

化学ロケットにはそれができない。ツィオルコフスキーのロケット方程式の専制により、その機動を完了するのに十分な燃料を積むことは不可能である。ロケット方程式は必要な推進剤の量を速度変化に結びつけ、逆行軌道は極端な速度変化を要求する。その結果、逆行迎撃への従来の化学ミッションは現実的な選択肢ではない。

ソーラーセイルは潜在的にそれができる。それが北京航空航天大学の提案の中心的な主張である。推進剤を積む代わりに、ソーラーセイルは太陽光自体を運動量の源として使うことで徐々に軌道を変える。

ソーラーセイルが逆方向軌道を可能にする仕組み

ソーラーセイルは、太陽放射圧—光子が何かにぶつかるときに与えるごくわずかな力—を利用して機能する。本質的に、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せず、太陽光の上を帆走する。単一の光子からの力はごくわずかだが、大きく軽量な帆は広い面積でその圧力を集め、宇宙機をゆっくり加速するために使える。

北京航空航天大学の概念は、方向を逆にするという困難な作業を実行できる新しいタイプのソーラーセイルを中心としている。提案された回折型ソーラーセイルは突然の推力バーストを生み出さない。代わりに、時間をかけて太陽放射圧を収穫し、宇宙機が化学推進剤の質量ペナルティなしで軌道を変えることを可能にする。それによって逆行迎撃が潜在的に実行可能になるのである。

ソーラーセイル技術はすでに宇宙でテストされている。記事に関連するミッション画像に示されたプラネタリー・ソサエティのLightSail 2の展開は、そのような概念が基盤とする帆のハードウェアの種類を実証した。惑星防衛版ははるかに高性能である必要があるが、根底にある原理は同じである。燃料に制限されたロケットが行けない場所へ宇宙機を押すために太陽光を使うのである。

なぜ早期発見が依然として不可欠なのか

秒速100キロメートルの正面衝突は並外れた偏向ツールだろうが、早期警告の必要性を排除するものではない。ソーラーセイルの利点は燃料なしで軌道を変える能力から来るが、その利点は時間に依存する。帆は小惑星が迎撃点に到着する前に、展開し、加速し、逆行軌道に機動しなければならない。

危険な小惑星が衝突のわずか数か月前に発見された場合、高エネルギーの衝突体でさえ到達するのに十分な時間がないかもしれない。数年または数十年前に発見された場合、遅いが持続的なソーラーセイルは遭遇を設定するのに必要な時間を持てる。それにより小惑星サーベイと追跡プログラムが同じ惑星防衛システムの重要な部分となる。

この戦略は標的の正確な知識にも依存する。ミッション計画者は小惑星の軌道、大きさ、組成、自転を知る必要がある。それらの詳細が、物体が衝突にどう反応するか、そして偏向の試みがそれを安全に地球から遠ざけるのか、それとも予測不能な方法で単に断片化するのかを決定する。

まだ証明されていないこと

エネルギー伝達の物理学は単純である。工学はそうではない。ソーラーセイル衝突体は確実に展開し、宇宙環境に耐え、正確に航行し、長いミッションにわたって必要な軌道を維持する必要がある。また逆行軌道に到達する必要があり、それは化学ロケットには実行できないがソーラーセイルは潜在的に達成できる機動である。

DARTはすでに運動エネルギー衝突が小惑星の運動を変えられることを示した。LightSail 2はソーラーセイルが宇宙で展開できることを示した。北京航空航天大学の提案はそれら二つの証拠の流れを新しい惑星防衛概念に組み合わせる。次のステップは、専用ミッションで必要な帆の性能、軌道制御、迎撃タイミングをテストすることだろう。

そのどれもこの概念を今日すぐに使えるものにはしない。しかし研究する価値はある。このアプローチが機能すれば、惑星防衛の道具箱に高エネルギーの選択肢を加えることになる—背後から追いかけるのではなく、反対方向から接近する小惑星を打撃できるものである。

結論

殺人小惑星のリスクはどの年でも低いが、ゼロではない。DARTは人類が運動エネルギー衝突体で小惑星を動かせることを証明した。北京航空航天大学の提案は、回折型ソーラーセイルが秒速約100キロメートルでの正面衝突を可能にし、DARTと比較して衝突体質量1キログラムあたり約230倍の力を伝えられると主張する。難しい部分は逆行軌道に到達することである。化学ロケットは十分な燃料を積めないが、ソーラーセイルは潜在的に可能である。技術が成熟し早期警告システムが改善すれば、太陽光駆動の衝突体は将来の脅威に対する強力な新しい防衛線になり得る。

この記事はUniverse Todayの報道に基づいています。元の記事を読む。