回折型ソーラーセイル、時速100km/sの危険小惑星を迎撃可能

小惑星の衝突を防ぐため、回折型ソーラーセイルを搭載した宇宙機を正面から秒速100キロメートルで小惑星に衝突させる手法が、北京航空航天大学の研究者らによって提案された。この方法により、DARTミッションで実証された秒速6キロメートルの衝突に比べて、約230倍のエネルギーを小惑星に与えることが可能になると考えられる。

従来のDARTミッションは、小惑星と同じ方向から接近し、秒速6キロメートルで衝突させる方式だった。この手法は軌道操作に数年を要する上、与えられるエネルギーは限定的だ。これに対し、正面からの衝突を目指すアプローチは、インパクターの速度が与えるエネルギーは速度の二乗に比例するという物理法則に従うため、秒速100キロメートルという高速での衝突は格段に大きな効果を生み出す。だが実現は容易ではない。地球を含めた天体はほぼすべて太陽を反時計回りで公転しており、地球から打ち上げた宇宙機も初期状態でその方向に進んでいる。正面衝突を実現するには時計回り軌道に入る必要があり、従来の化学ロケットではツィオルコフスキーの式の制約から必要な燃料を搭載できない。

その課題を解決する鍵がソーラーセイルだ。従来のソーラーセイルはJAXAのイカロスやアメリカのライトセイル2のように光反射を利用するため、太陽に対して極端な角度に傾ける必要があり、効率が劇的に低下する。イタリアの技術者ジャンカルロ・ヴルペッティが1990年代に提案したH反転軌道では、ソーラーセイルを逆行軌道へ導くための複雑な軌道操作が必要となる。これに対し、回折型ソーラーセイルは微構造光格子によって光を回折させ、セイル全体を太陽に向けたままで側面への推力を得られる。姿勢制御が簡化され、複雑な軌道操作に必要な推力を確保できるのだ。研究者らのシミュレーション結果によれば、反射型回折セイルだけが所望の軌道を実現でき、ほかのすべての方式は太陽に落ち込むか太陽系外へ放出される。

打ち上げから200～300日でアポフィス小惑星に秒速100キロメートルのインパクターを到達させることができたと、シミュレーションは示している。従来型のソーラーセイルによる標準的なミッションよりもほぼ1年の短縮が実現でき、この時間短縮が小惑星衝突の回避を左右する可能性さえある。警告期間が限定される緊急時の対応として、回折型ソーラーセイル技術は重要な選択肢になり得る。従来の低速インパクター方式に比べ圧倒的に高いエネルギーを投下できるこの技術は、今後の惑星防御の要素技術として位置づけられると考えられる。

日本の精密機械メーカーや材料メーカーにとって、微構造光格子などの高精度光学素子、セイル用の超軽量構造材、あるいは宇宙用電子部品といった分野で、こうした次世代ミッションへの参入機会が増える可能性がある。短期間での小惑星到達を可能にするソーラーセイル技術は、時間的余裕が限定される惑星防御任務向けの推進システムとしての需要が高まると予想される。

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