ソーラーセイルの仕組み

重要なポイント

前回の月探査以来、何百もの宇宙探査が開始されており、その中には太陽系の端に送られた深宇宙探査機も数機含まれています。しかし、私たちの宇宙への旅は、化学ロケットエンジンの出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。現在、打ち上げ時のスペースシャトルの重量は約 95% が燃料です。大量の燃料とそれを保管するタンクの必要性を減らすことができたら、何が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へ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ものは、ロケット燃料とロケットエンジンの両方を廃止し、帆に置き換えることです。はい、そうです、帆です。

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、知恵袋ブログ が、ソーラー セイリングのアイデアがどのように発展したか、NASA などがこの技術をテストしている場所、そしてソーラー セイリングが宇宙でどれくらいの距離と速度で私たちを連れて行ってくれるのかを示します。

ソーラーセイルのコンセプト

ほぼ 400 年前、ヨーロッパの大部分がまだ世界の海軍探査に関わっていた頃、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。彗星の尾がある種の太陽風によって吹き飛ばされるという観察を通じて、風が海洋上の船を動かすのと同じように、帆がその風を捉えて宇宙船を推進できると彼は信じた。太陽風に関するケプラーの考えは反証されましたが、科学者たちはその後、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突き抜けることができる巨大なソーラーセイルの実験を行ってきました。

ソーラーセイル動力の宇宙船には 3 つのコンポーネントがあります。

ソーラーセイル動力の宇宙船は、その推進剤が太陽光であり、太陽がエンジンであるため、動力として従来の推進剤を必要としません。光は電磁放射で構成されており、接触した物体に力を及ぼします。 NASA の研究者らは、太陽から地球までの距離である 1 天文単位 (AU) が 9,300 万マイル (1 億 5,000 万 km) に相当すると、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。 1.4 kw を光の速度で割ると、太陽によって及ぼされる力は約 9 ニュートン (N)/平方マイル (つまり、2 ポンド/km ²または 0.78 ポンド/マイル² ) であることがわかります。 。比較すると、スペースシャトルの主エンジンは、離陸中に 167 万 N の力を発生し、真空中で 210 万 N の推力を発生できます。しかし、最終的には、ソーラーセイルに太陽光が継続的に加わることで、宇宙船を従来のロケットの 5 倍の速度で推進できるようになるでしょう。

さて、それらの帆を詳しく見てみましょう。

ソーラーセイルの材料

ソーラーセイルは以前にも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ーリング乗り物を設計するには重すぎました。素材は軽量であることに加えて、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。現在 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 分の 1 以上薄い、非常に軽量な反射素材で作られています。この「アルミメッキ耐熱材」をCP-1といいます。ソーラーセイル技術を開発している別の組織である (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、アルミニウムで強化されたマイラーで作られ、厚さの約 4 分の 1 であるソーラーセイルを誇るCosmos 1をサポートしています。一枚のプラスチック製ゴミ袋。

帆の反射性が鍵となります。光子 (光の粒子) が反射材で跳ね返ると、帆に運動量が伝わり、帆を穏やかに押し進めます。太陽光からの光子が非常に多く、それらが常にセイルに衝突しているため、セイルには一定の圧力 (単位面積当たりの力) がかかり、宇宙船の一定の加速が生じます。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常に加速し、より大きな速度を達成します。

宇宙船が太陽光から遠く離れた場合に何が起こるか疑問に思うかもしれません。搭載されたレーザーが帆に必要な推進力を提供することを引き継ぐことができます。

太陽光発電 – チェックしてください。ソーラーセイル – チェックしてください。しかし、帆とその宇宙船を宇宙に運ぶにはどうすればよいでしょうか?見てみましょう。

ソーラーセイルの打ち上げ

太陽光だけを動力とするソーラーセイルは、地上から直接打ち上げられることはありません。ソーラーセイルを打ち上げるためには2台目の宇宙船が必要で、その後宇宙に展開されることになる。ソーラーセイルを打ち上げる別の可能な方法は、衛星または他の宇宙船から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を帆に向けて宇宙に打ち上げ、航行中に二次的な動力源を提供することができます。 NASA (JPL) のある実験では、マイクロ波ビームを使用してセイルを離陸させる一方、セイルを前方に押すためにレーザー ビームを使用しました。

帆は、発射されると、内蔵の展開機構によって作動する膨張式ブーム システムを使用して展開されます。

未来の宇宙旅行

ソーラーセイル技術は、最終的にはNASAの長距離ミッションで重要な役割を果たすことになるでしょう。しかし、これらのソーラーセイルは私たちをどこまで連れて行くことができるのでしょうか、そしてどれくらいの速さで私たちをそこに連れて行くことができるのでしょうか？

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の打ち上げに使用される力の大きさによって駆動されるわけではありません。 NASAは、宇宙探査は「うさぎとカメ」の物語に似ており、ロケット推進の宇宙船がうさぎであると考えている。このレースでは、ロケット推進宇宙船が素早く飛び出し、目的地に向かって素早く移動します。一方、ソーラーセイルを動力とするロケットのない宇宙船は、ゆっくりとした、しかし安定した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ます。どんなに速く進んでも、遅かれ早かれロケット船のパワーは尽きてしまいます。対照的に、ソーラーセイル船には太陽から無限の電力が供給されます。さらに、ソーラーセイルは地球に帰還する可能性がありますが、ロケット推進車両には地球に帰還するための推進剤がありません。

太陽光に押され続けると、ソーラーセイル推進車両は、ロケット推進車両では決して達成できない速度を上げます。このような車両は最終的に約 56 マイル/秒 (90 km/秒) で走行することになり、これは時速 200,000 マイル (時速 324,000 キロ) 以上になります。この速度は、スペースシャトルの軌道速度 5 マイル/秒 (8 km/秒) の約 10 倍です。これがどのくらいの速さかというと、ソーラーセイル車両を最高速度で走行させれば、ニューヨークからロサンゼルスまで 1 分以内に移動できることになります。

NASAがソーラーセイルを動力源とする星間探査機を打ち上げた場合、20年以上旅を続けているボイジャー1号宇宙船（地球から最も遠い宇宙船）を捕捉するのにわずか8年しかかからない。 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、速度を光速の10分の1である18,600マイル/秒（30,000km/秒）まで高めることができると述べた。この速度であれば、星間旅行はほぼ確実だろう。