ソーラーセイルのしくみ

前回の月面ミッション以降、太陽系の端に送られたいくつかの深宇宙探査機を含む、何百もの宇宙ミッションが開始されました。しかし、私たちの宇宙への旅は、化学ロケットエンジンの能力と宇宙船が運ぶことができるロケット燃料の量によって制限されてきました。今日、打ち上げ時のスペースシャトルの重量は約95パーセントの燃料です。大量の燃料とそれを保持するタンクの必要性を減らすことができたら、何を達成できるでしょうか。

国際宇宙機関や一部の民間企業は、私たちがさらに遠くまで行くことを可能にする多くの輸送方法を提案していますが、有人宇宙ミッションはまだ月を超えていません。これらの宇宙輸送オプションの中で最も現実的なのは、ロケット燃料とロケットエンジンの両方を排除し、それらを帆に置き換えることです。はい、そうです、帆。

NASAは、太陽の力を利用して私たちを深宇宙に送るソーラーセイルと呼ばれるこの驚くべき技術を研究している組織の1つです。この記事では、ソーラーセーリングのアイデアがどのように発展したか、NASAや他の人たちがこのテクノロジーをテストしている場所、そしてソーラーセーリングが宇宙で私たちをどれだけ遠くまで速く連れて行くかを示します。

1. ソーラーセイルコンセプト
2. ソーラーセイルマテリアル
3. ソーラーセイルの打ち上げ
4. 未来の宇宙旅行

400年近く前、ヨーロッパの多くがまだ世界の海軍探査に関与していたため、ヨハネスケプラーは帆を使って銀河を探査するというアイデアを提案しました。ある種の太陽のそよ風によって彗星の尾が吹き飛ばされたという彼の観察を通して、彼は帆がその風を捕らえて、風が海で船を動かす方法で宇宙船を推進することができると信じました。ケプラーの太陽風の考えは反証されていますが、科学者たちはそれ以来、太陽光が物体を動かすのに十分な力を発揮することを発見しました。この力を利用するために、NASAは光によって宇宙を押し通すことができる巨大なソーラーセイルを実験してきました。

ソーラーセイルを動力源とする宇宙船には、次の3つのコンポーネントがあります。

ソーラーセイルを動力源とする宇宙船は、その推進剤が太陽光であり、太陽がそのエンジンであるため、電力のために従来の推進剤を必要としません。光は、接触する物体に力を及ぼす電磁放射で構成されています。NASAの研究者は、太陽から地球までの距離である1天文単位（AU）で、9,300万マイル（1億5,000万km）に相当し、太陽光が約1.4キロワット（kw）の電力を生成できることを発見しました。あなたが1.4キロワットを取り、光の速度で割り場合は、日によって加えられる力は、9ニュートン（N）/平方マイル（すなわち、2ポンド/キロ程度であることを見つけるだろう²または0.78ポンド/ MI ²）。比較すると、スペースシャトルのメインエンジンは、リフトオフ時に167万Nの力を生成し、真空中に210万Nの推力を生成できます。しかし、最終的には、ソーラーセイルに太陽光が継続的に当たると、宇宙船は従来のロケットの5倍の速度になります。

それでは、それらの帆を詳しく見てみましょう。

展開と起動

NASAのソーラーセイル推進チームおよび業界パートナーであるエイブルエンジニアリングは、2004年4月から5月までの5週間のテスト期間中に、ラングレー研究所にソーラーセイルシステムを配備することに成功しました。その後、2004年7月、NASAのソーラーセイル推進チームおよび業界パートナーであるL'Garde、Inc。も、Glenn ResearchCenterでソーラーセイルシステムの展開に成功しました。

2004年8月、宇宙航空研究開発機構によって2つの大型ソーラーセイルが打ち上げられ、宇宙に配備されました。

ソーラーセイルは以前に設計されていましたが（NASAは1970年代にソーラーセイルプログラムを実施していました）、過去10年ほどまで入手可能な材料は、実用的なソーラーセイル車両を設計するには重すぎました。軽量であることに加えて、材料は反射率が高く、極端な温度に耐えることができなければなりません。今日NASAによってテストされている巨大な帆は、平均的な文房具のシートよりも100倍以上薄い、非常に軽量で反射性の素材でできています。この「アルミ化された耐熱材料」はCP-1と呼ばれています。ソーラーセイル技術を開発している別の組織である惑星協会（カリフォルニア州パサデナに拠点を置く民間の非営利団体）は、コスモス1号を支援しています。は、アルミニウムで強化されたマイラーで作られたソーラーセイルを誇り、1層のプラスチック製ゴミ袋の約4分の1の厚さです。

帆の反射性が鍵となります。光子（軽い粒子）が反射材で跳ね返ると、勢いを帆に伝達することで帆をそっと押します。太陽光からの光子が非常に多く、帆に絶えず当たっているため、帆に一定の圧力（単位面積あたりの力）がかかり、宇宙船の一定の加速度が発生します。ソーラーセイル宇宙船にかかる力は、スペースシャトルなどの従来の化学ロケットよりも小さいですが、ソーラーセイル宇宙船は時間の経過とともに絶えず加速し、より大きな速度を達成します。

宇宙船が日光から遠く離れているとどうなるのか疑問に思われるかもしれません。搭載されたレーザーが引き継いで、帆に必要な推進力を提供することができます。

太陽光発電-確認してください。ソーラーセイル-確認してください。しかし、どうやって帆とその宇宙船を宇宙に運ぶのでしょうか？見てみましょう。

帆に穴が欲しいですか？

マーシャル宇宙飛行センターのレジョンソンは、多くのソーラーセイル科学者に考えを一時停止させた、剛性のある軽量の炭素繊維材料を保持しています。この繊維は約200倍厚いため、標準のソーラーセイル素材とは異なります。しかし、何千もの小さな穴が、テストされている最も薄いソーラーセイル素材とほぼ同じ重さになることを可能にします。

太陽光だけを動力として、ソーラーセイルを地面から直接発射することは決してありません。ソーラーセイルを打ち上げるには、2番目の宇宙船が必要です。ソーラーセイルは宇宙に配備されます。ソーラーセイルを発射する別の可能な方法は、衛星または他の宇宙船によって提供されるマイクロ波またはレーザービームを使用することです。これらのエネルギービームは帆に向けられて宇宙に打ち上げられ、その旅の間に二次電源を提供することができます。NASAのジェット推進研究所（JPL）でのある実験では、マイクロ波ビームを使用して帆を持ち上げ、レーザービームを使用して帆を前方に押し出しました。

打ち上げられると、帆は、組み込みの展開メカニズムによってトリガーされるインフレータブルブームシステムを使用して展開されます。

コスモス1号

惑星協会のソーラーセイルを動力源とする宇宙船であるコスモス1号は、バレンツ海に沈められたロシアの潜水艦から打ち上げられます。打ち上げられると、220.5ポンド（100 kg）のコスモス1号は、「キックモーター」からブーストを取得し、地球から約550マイル（885 km）の軌道に配置します。

ソーラーセイル技術は、最終的には遠距離NASAのミッションで重要な役割を果たします。しかし、これらのソーラーセイルはどれだけ私たちを連れて行くことができ、どれだけ速く私たちをそこに連れて行くことができるでしょうか？

前のセクションでわかったように、ソーラーセイルは最初はスペースシャトルを発射するために使用される力の量によって駆動されませんでした。 NASAは、宇宙探査は「亀とうさぎ」の物語に似ており、ロケット推進宇宙船がうさぎであると信じています。このレースでは、ロケット推進宇宙船がすばやく飛び出し、目的地に向かってすばやく移動します。一方、ソーラーセイルを動力源とするロケットレス宇宙船は、ゆっくりではあるが着実なペースで旅を開始し、太陽が力を加え続けるにつれて徐々に速度を上げていきます。遅かれ早かれ、それがどんなに速く進んでも、ロケット船は力を使い果たします。対照的に、ソーラーセイルクラフトは太陽から無限の電力を供給します。さらに、ソーラーセイルは地球に戻る可能性があります 、一方、ロケット推進機には、それを戻すための推進剤がありません。

太陽の光に押され続けると、ソーラーセイル推進機はロケット推進機では決して達成できない速度を上げていきます。このような車両は、最終的には約56マイル/秒（90 km /秒）で走行します。これは、200,000 mph（324,000 kph）を超える速度になります。その速度は、スペースシャトルの軌道速度である5マイル/秒（8km /秒）の約10倍です。それがどれほど速いかを知るために、最高速度で移動するソーラーセイル車両を使用して、ニューヨークからロサンゼルスまで1分未満で移動できます。

NASAがソーラーセイルを動力源とする恒星間探査機を打ち上げるとしたら、20年以上移動しているボイジャー1号の宇宙船（地球から最も遠い宇宙船）を捕まえるのにたった8年しかかかりません。NASAは、レーザーまたは磁気ビーム送信機を追加することで、光速の10分の1である18,600マイル/秒（30,000 km /秒）まで速度を上げることができると述べました。それらの速度では、星間旅行はほぼ確実です。

関連記事

その他のすばらしいリンク