ブラウン大学の学生チームが、衛星設計に対する革新的でコスト効率の高いアプローチを実証したことで、2024年ギズモード・サイエンス・フェアの優勝者に選ばれました。
通常、衛星の建造と打ち上げには5～6年かかり、数百万ドルもの費用がかかります。しかし、ロードアイランド州ブラウン大学の学生たちは、必ずしもそうである必要はないことを証明し、2023年8月に445日間の衛星ミッションを完了しました。彼らは、市販の部品と3Dプリント部品を用いて、わずか1年で最小限の予算で、機能的な衛星の建造、打ち上げ、試験に成功しました。これは、手頃な価格での宇宙へのアクセスと、責任ある軌道離脱技術の可能性を示しています。
質問
最も簡単な部品を使って作れる、最も安価な衛星は何でしょうか？そして、宇宙ゴミの影響を最小限に抑えるドラッグセイルを備えたそのような衛星を、わずか1年で製作・打ち上げることができるでしょうか？
結果
ブラウン大学の大学院生と学部生からなる小規模なチームが昨年、非常に費用対効果の高い3Uキューブサット「SBUDNIC」を製作するという偉業を成し遂げました。スプートニクへのオマージュであり、プロジェクト参加者の頭文字を取ったこの衛星は、2022年5月25日にSpaceX社のファルコン9ロケットで打ち上げられ、D-Orbit社の宇宙タグによって運用軌道に乗せられました。
この衛星の製作費用はわずか1万ドルで、Arduino Uno、Energizer AA電池4ダース、カプトンテープ、アマチュア無線機、市販の3Uフレーム（3Uとは、標準化された3ユニットのキューブサットのフォームファクターに収まる小型衛星の一種）といった既成部品のみで構成されていました。また、衛星としては異例なことに、多くの3Dプリント部品と、機械工場で鋳造されたシャーシも搭載されていました。
「何かを宇宙に送り出すなど、何かを成し遂げたいなら、車輪を最初から作り直したくはないですよね」と、主任プログラムマネージャーのデラジ・ガンジクンタ氏は語る。「コンピューターやバッテリーを最初から作り直す必要はないでしょう？」
SBUDNICチームは複数のグループに分かれ、各グループが衛星の構造、温度制御、追跡・通信、電源、データ管理、ペイロード、無線システム、軌道制御といった特定の側面を担当しました。SBUDNICはArduinoを用いて制御ソフトウェアを複数の方法で同時に実行し、正しく動作することを確認しました。
衛星は1年以上地球を周回し、国際宇宙ステーションよりも高い高度520キロメートルで運用されました。チームは衛星から画像やテレメトリデータを一切受信できず、大きな失望を味わいました。しかし、SBUDNICは高度・軌道制御システムに関しては期待を上回る成果を上げました。チームは通常のカプトンテープからドラッグセイルを製作し、これは驚くほどうまく機能し、キューブサットを予想よりもはるかに速く降ろすことができました。
なぜ彼らはそれをしたのか
同大学が開発した初期の衛星「EQUiSat」は、4年前に大気圏に再突入するまでに地球を14,000周回しました。一方、SBUDNICとEQUiSatの違いは、ほぼ完全に宇宙での使用を想定していない材料で作られていることです。この最新プロジェクトでは、チームは3Uキューブサットのスケッチから打ち上げまでの最も迅速な開発の一つを目指しました。
プロジェクトリーダーの一人、セリア・ジンダル氏は、開発中に直面した課題の多くは、新型コロナウイルス感染症のパンデミックによってもたらされた課題と類似していると述べた。多くの業界がサプライチェーンの混乱と大混乱に直面し、オンライン業務への依存度が高まった。同時に、私たちは億万長者が宇宙を愛する時代に生きていることは明らかだ。ジンダル氏と同僚たちは、「宇宙は私たちがアクセスできるものなのか？もしできるとしたら、どうすれば、こうした物資不足の中で宇宙にアクセスできるのか？」と疑問を呈した。「億万長者でなくても、あるいはNASAが米国に提供しているようなGDP（国内総生産）を持たない人でも、宇宙にアクセスできるのか？そして、小規模なプレイヤーは本当にこのゲームに参加できるのか？もしできるとしたら、どうすればできるのか？」とジンダル氏は語った。
したがって、チームは宇宙に到達するための実用的かつ費用対効果の高い方法を示すことに努め、そこで満足することなく、宇宙ゴミを削減する方法を実証しました。
彼らが勝者である理由
SBUDNICチームは1年足らずで衛星を設計・構築し、ドラッグセイル技術をテストしました。また、設計をオープンソース化したことも高く評価されるべきです。「SBUDNIC 2.0など、何でも好きなものを作りたい人がいれば、それが目的です」と、プロジェクトのチーフエンジニアであるマルコ・クロス氏は語ります。「雪に道を切り開いたことで、他の誰かが私たちよりも少しでも楽に航行できるようになりました。それが当初からの目標でした。」
ドラッグセイル技術は、軌道上の不要な物体の削減に世界が取り組む中で、宇宙船にとって極めて重要な構成要素です。NASAによると、現在、地球上空には直径10cmを超える物体が2万5000個以上も飛び回っています。運用停止となった衛星が大気圏に再突入するまでには数十年かかる場合が多いですが、ドラッグセイルはこのプロセスを劇的に加速させ、軌道上衝突のリスクを低減する可能性があります。
ドラッグセイルがなければ、SBUDNICが軌道から離脱するまでには約25～27年かかっていたでしょう。しかし、カプトンポリイミドフィルムで作られた40ドルのセイルのおかげで、その時間は劇的に短縮されました。SBUDNICは軌道上でわずか445日を過ごした2023年8月8日に大気圏に突入しました。チームは落下まで6～7年かかると予想していました。
彼らは必要な試験も実施し、すべての規則を遵守しました。例えば、チームは真空試験と振動試験を実施し、真空チャンバー内で爬虫類加熱ランプを用いて開発した熱シールドを試験しました。この熱シールドは衛星の電子機器を太陽放射から保護するものでした。ガンジクンタ氏は、このプロジェクトでは「基準は変わらないため、期限に間に合わせるために多くの作業が必要でした」と説明し、文書化と試験要件を書き留めました。「こうした作業はすべて、学生向け衛星でも、数十億ドル規模の予算を持つ大型衛星運用会社でも同じです」と彼は付け加えました。
次は何か
現在、彼らは会議で研究結果を発表し、出版物にデータを提出し、ロードアイランド州中の学校で一連のプレゼンテーションを行う予定です。
「現在、プロジェクト資料用のオープンソースデータベースを構築中です」とガンジクンタ氏は述べた。「現在、公開に向けてサニタリングと承認作業を進めています。データベースが利用可能になれば、試験データと衛星コードへのオープンアクセスが可能になります。」
クロス氏は現在、すべてが始まったこのクラスで指導に携わり、ブラウン大学のリック・フリーター教授の運営と指導を補佐しています。クロス氏は、長年にわたりこのクラスから多くの学生が宇宙産業でのキャリアを歩んできたという事実に刺激を受けていると述べています。
チーム
SBUDNICチームは、ブラウン大学卒業生のマルコ・クロス氏と教職員のリック・フリーター氏のリーダーシップの下、ブラウン大学工学部の学部生と大学院生約40名で構成され、リードプログラムマネージャーのデラジ・ガンジクンタ氏とプロジェクトリーダーのセリア・ジンダル氏も参加しました。チームは学問的に多様性に富んでおり、約半数が工学部出身で、残りは経済学、国際関係論、彫刻など様々な分野の学生で構成されていました。SBUDNICは、フリーター氏の「宇宙システムの設計」（ENGN1760）の授業から生まれ、イタリア国立研究会議、D-Orbit、AMSAT-Italy、ラ・サピエンツァ大学（ローマ）、NASAロードアイランド宇宙助成金といった主要なスポンサーや支援者から多大な支援を受けました。
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