ロケット方程式を超えて
地球を離れたあらゆる宇宇宙船は、ロケット方程式の暴虐に縛られてきました。より速く進むには、より多くの燃料が必要です。しかし、より多くの燃料は、より多くの重量を意味し、その余分な質量を加速するためにはさらに多くの燃料が必要になります。この悪循環は、化学ロケットが移動できる速度に基本的な限界を設定し、現在の推進技術では恒星間旅行を実質的に不可能にします。
ソーラーセイルはこの制約からの優雅な脱出を提供します。太陽光または強力な地上ベースのレーザーからの光子の圧力を使用して大きな反射面を押し、宇宙船は燃料を全く運ぶことなく継続的に加速することができます。原則として、十分に強力なレーザーで推進されたソーラーセイルは光速のかなりの部分に達する可能性があり、人間の生涯内に恒星間旅行を可能にします。
しかし、重大な問題があります：セイルが融けます。セイルを恒星間速度に加速するために必要な強力なレーザー光線は、反射材料を数千度に加熱し、目標速度に達するずっと前に破壊します。現在、タスキーギ大学の研究者は、この熱的課題を解決するナノエンジニアリング光帆について説明する論文を『ナノフォトニクス・ジャーナル』に発表しました。
熱バリア
2016年に故Stephen Hawkingと投資家Yuri Milnerの支援で発表されたBreakthrough Starshot計画は、地上ベースのレーザーアレイを使用して、グラム級の宇宙船を光速の20%でAlpha Centauriに送ることを提案しました。このコンセプトでは、約100ギガワットのレーザー出力を数分間わずか数メートル幅のセイルに集約する必要があります。これはほとんどの材料を融点をはるかに超えて加熱するのに十分なエネルギーです。
以前のセイル設計は、アルミニウムまたは他の反射金属の薄膜を使用していましたが、最も反射性の高い金属でさえ、入射光のごく一部を吸収し、熱に変換します。恒星間加速に必要な電力密度では、わずか1%の吸収でも破局的です。セイルは数秒で蒸発します。
ダイヤモンドや窒化ケイ素などの異国の材料からセイルを製造すること、または金属よりも高い反射率を達成する多層誘電体ミラーの使用など、さまざまなソリューションが提案されています。しかし、すべての以前の設計は、実用的な恒星間セイルに必要な高い反射率、低質量、および構造的完全性を同時に達成するのに苦労しました。
ナノフォトニックソリューション
タスキーギ大学のDimitar DimitrovおよびElijah Taylor Harrisは、ナノフォトニックエンジニアリングを使用して問題にアプローチしました。これは、光との相互作用方法を制御するためにナノメートルスケールで材料を設計することです。彼らのセイル設計は、フォトニック結晶構造を作成するナノスケール機能の定期的な配列でパターン化された窒化ケイ素の薄膜を使用しています。
このフォトニック結晶は、推進レーザーの特定の波長を99.9%を超える並外れた効率で反射するように設計されており、同時に、慎重に設計された熱放射チャネルを通じてセイルから吸収された熱を放射します。ナノ構造は、ほぼ完璧なミラーと効率的な放射体の両方として機能し、熱問題の両方の側面を解決します。
研究者は計算電磁シミュレーションを使用してナノ構造の幾何学を最適化し、セイルが加熱されている場合でもその光学特性を保持する構成を見つけました。この熱安定性は重要です。ほとんどの材料の光学特性は温度に応じて変化し、吸収がセイルの加熱に伴って増加する暴走加熱効果を引き起こし、より速く加熱する可能性があるためです。
質量と構造に関する考慮事項
恒星間旅行用の光帆は、並外れた軽さである必要があります。Breakthrough Starshot概念では、セイルの面密度が1平方メートルあたり1グラム未満である必要があります。これは数層の原子に相当します。タスキーギ設計は、わずか数百ナノメートルの厚さのパターン化された窒化ケイ素の単一層を使用することで、これを達成し、フォトニック結晶機能をフィルムに直接刻画しています。
構造的完全性は別の課題を提示します。加速段階では、セイルは重大な放射圧を経験します。これは全体的なポイントです。ただし、この圧力はセイル表面全体で完全に均一ではありません。レーザー強度またはセイル反射率の小さな変化は、セイルが曲がるか、引き裂くか、制御を失ったまま回転する可能性がある差分力を作成します。研究者は、ナノ構造設計に構造剛性化機能を組み込み、有意な質量を追加することなく機械的剛性を提供します。
理論から星へ
タスキーギチームの設計は今のところ理論的なものですが、レーザー推進恒星間旅行の最も重要なエンジニアリングボトルネックとして広く認識されているものに対処しています。必要なナノスケール精度を持つセイルを数平方メートルの領域で製造することは、現在の生産能力を超えていますが、ナノリソグラフィとロール・ツー・ロール・ナノパターニングの進歩は、このギャップを着実に閉じています。
日本のIKAROS任務は2010年宇宙でのソーラーセイル推進を実証し、NASAのAdvanced Composite Solar Sail Systemは2024年に打ち上げられ、地球軌道での新しいセイル材料をテストします。これらのミッションはレーザーではなく太陽光を使用し、控えめな速度で移動しましたが、基本的な概念が機能することを証明しました。タスキーギのナノエンジニアリング設計は、これらの初期デモンストレーションとはるかに野心的な恒星間飛行の目標との間のギャップを埋める可能性があります。
人類の最初のプローブを他の星系に運ぶことを約束する技術の場合、融解問題を解決することは小さな成果ではありません。
この記事はUniverse Todayのレポートに基づいています。元の記事を読む。
