ギズモード・サイエンス・フェア：燃料なしで飛行する光推進宇宙船

惑星協会のLightSail 2は、太陽からの光子を衛星の推進力として使う可能性をテストしたことにより、2024年ギズモード・サイエンス・フェアの優勝者となった。

質問

ソーラーセイルは小型宇宙船を効果的に推進・操縦できるのか、そして低コストで環境に優しい方法で実行できるのか?

結果

惑星協会のライトセイル2号は2019年6月に打ち上げられ、1ヶ月後に32平方メートルのソーラーセイルを展開しました。ソーラーセイルは、従来の帆が風を捉えるのと同じように太陽からの光子を捉え、小さな運動量を生み出して宇宙船を推進します。この宇宙船が地球の大気抵抗を克服できれば、非常に高い高度に到達できる可能性があります。

ライトセイル2号はクラウドファンディングによるプロジェクトで、惑星協会が宇宙愛好家から124万ドルの寄付を集め、実現に至りました。宇宙船には、飛行中、ファンの名前や自撮り写真、その他のメッセージが記録されたディスクが搭載されていました。

宇宙船自体は靴箱ほどの大きさで、マイラー帆布で作られた帆がきちんと重ねられていました。広げると、帆はボクシングリングほどの大きさになりました。

ライトセイル2号は太陽帆航行モードに入ってからわずか2週間で高度2マイル（3.2キロメートル）を獲得し、この実験は成功しました。「軌道高度の持続的な上昇を実証することができました。1ヶ月という長い期間で、高度を約800メートル上昇させたと思います」と、NASA火星サンプルリターンキャンペーンのライトセイルプロジェクトマネージャー兼ミッションシステムマネージャーであるデビッド・スペンサー氏は述べています。

ライトセイル2号はミッション中、文字通りの高低差を経験しました。オービターは1日に数メートル高度を下げることもあれば、数メートル高度を上げることもありました。時速2万マイル（時速3万2000キロメートル）に達する速度で飛行中に大気中の粒子に衝突し、宇宙船の速度が低下しました。地球を周回して数年経った後、実験機は主に大気抵抗の影響で急激な高度低下を経験し始めました。

「宇宙船を実際に制御できるようになるには、より微妙な調整が必要でした」とスペンサー氏は語った。「姿勢制御システムにバイアスがあることが分かり、時間をかけてそれをモデル化し、飛行ソフトウェアレベルでそれを修正する必要がありました。」

「これにより、ミッション開始から2年目にして、最高の太陽帆飛行を行うことができました。軌道がかなり下がっていたので興味深いことです」と彼は付け加えた。

2022年11月、ライトセイル2号は地球の大気圏に再突入し、燃え尽きて劇的な形でデモンストレーションを終えました。合計で18,000周回、500万マイル（800万キロメートル）を飛行しました。

なぜ彼らはそれをしたのか

太陽帆のアイデアが初めて構想されたのは400年以上前、ドイツの天文学者ヨハネス・ケプラーが彗星を観測し、その尾が空を横切る原因は何だろうと考えたときでした。彗星の塵の粒子を押し広げ、散乱させていたのは、太陽光そのものでした。ケプラーは、船の帆が風を利用するのと同じように、宇宙帆が太陽光を捉えられるようになると信じていました。

「光は今まさに私たち全員に力を与えています。それは光子によって運ばれるほんのわずかな運動量に過ぎません」と、惑星協会の主任科学者兼ライトセイル・プログラム・マネージャーであるブルース・ベッツ氏は述べた。「宇宙空間で、非常に大きくて光沢のある帆を展開し、低質量の宇宙船があれば、その力を利用して太陽光からの放射圧を利用して航行することができます。」

惑星協会の創設者の一人、ルイス・フリードマンは、太陽帆に個人的な関心を抱きました。同協会は2000年代初頭、ロシア宇宙庁の支援を受けてこの技術の開発を開始し、最初の太陽帆「コスモス1」の建造に至りました。しかし、この太陽帆は2005年にロシアのロケットの故障により失われました。「宇宙船は宇宙に到達することはありませんでした。あの最初の太陽帆がどうなったのか、私たちには知る由もありませんでした」と、惑星協会の最高執行責任者であるジェニファー・ヴォーンは語ります。「あのコンセプトと、既に築かれていた勢いから、『もう一度挑戦しよう、自分たちで何か作ろう』と考えたのです。これが、後にライトセイルとなるアイデアの真の誕生でした。」

ライトセイル1号は2015年5月に打ち上げられ、低地球軌道に投入されましたが、いくつかの問題に遭遇しました。ソフトウェアの不具合により、最初のソーラーセイル展開は失敗しました。ライトセイル1号は最終的にセイルを展開することに成功しましたが、大気抵抗の影響が既に大きく、当初の予定通りの軌道航行は不可能でした。ミッションは2015年6月15日に宇宙船が大気圏に再突入したことで終了しました。

チームはもう一度挑戦しようと考え、今回は当時まだ発展途上だったキューブサット技術とソーラーセイル技術を組み合わせることにした。「キューブサット技術とライトセイル技術を推進手段として組み合わせられないか、それが私たちにとってのチャンスでした」とヴォーン氏は語る。「それがライトセイル2の新たな大きなアイデアでした。宇宙で実際に制御できるものを作れるか、ということです。」

こうしてライトセイル2号が誕生しました。この宇宙船は、エンジンやスラスターを必要とせず、太陽光のみを利用して軌道を変更することに成功しました。化学ロケットが一時的に小さな推進力を生み出すのに対し、ソーラーセイルは持続的にわずかな推進力を生み出し、時間の経過とともに速度を増大させることができます。さらに、従来の宇宙船は軌道上に推進剤を運ぶ必要があり（つまり重量とコストが増大する）、太陽光は無限かつ無料で利用可能です。

「ソーラーセイルは、人類の寿命と一致するタイムラインで、宇宙船を太陽系の外縁部、さらには恒星間に到達させることを可能にする数少ない技術の一つです」とスペンサー氏は述べた。

彼らが勝者である理由

ソーラーセイルは、光によって生成されるエネルギーパケットを利用して宇宙船を前進させるというシンプルなアイデアに基づいています。しかし、その実行ははるかに複雑であり、だからこそLightSail 2の成果は非常に印象的です。

宇宙船が太陽から得る運動量は非常に小さいため、スケールアップは非常に困難であり、大気抵抗は常にその進歩を阻害します。「個人的には、予想以上に困難だったと思います」とスペンサー氏は述べました。「時間の経過とともに持続的に軌道を上昇させるには、これらの課題のいくつかを克服する必要がありました。」

チームは、彼らの言葉を借りれば「わずかな予算」で作業を進めていた。「私たちにとって史上最大のプロジェクトでしたが、利用できるリソースの面では少なかったんです」とベッツ氏は語る。「打ち上げに成功し、その後も持ちこたえてくれたのは素晴らしいことでした」

次は何か

ライトセイル2号は地球の大気圏で燃え尽きたかもしれないが、その功績はNASAの地球近傍小惑星へのNEAスカウトミッション、地球軌道上で帆のブームの素材をテストするNASAの先進複合ソーラーセイルシステム、そしてNASAのソーラークルーザー（2025年打ち上げ予定）など、他のいくつかのミッションに影響を与えた。

しかし、現状ではライトセイル2の後継機は存在しません。このミッションを率いたチームはソーラーセイルの運用を終了し、ライトセイル3ミッションの計画もありません。しかし、惑星協会が2年ごとに新しい革新的なアイデアを募集しているため、今後は他のエキサイティングなミッションが計画されている可能性は高いでしょう。