太陽エネルギーが地球上では無料であり、ほぼ無限であることは誰もが知っている。太陽系内を航行する宇宙船も同様である。しかし宇宙では、太陽は電気エネルギーを供給するだけでなく、太陽風を絶え間なく放射している。

ソーラーセイルはその風を利用し、宇宙船に推進力を与えることができる。NASAは、ソーラーセイルをさらに効果的にする新しいソーラーセイルの設計をテストしようとしている。

太陽圧は太陽系全体を覆っている。距離が離れると弱まるが、確かに存在する。人工衛星を含むすべての宇宙船に影響する。より長時間の宇宙飛行には劇的に影響する。火星を目指す宇宙船は、航行中に太陽からの圧力によってコースを数千キロも外れる可能性がある。圧力は宇宙船の姿勢にも影響し、宇宙船はそれに対処するように設計されている。

太陽からの圧力は邪魔ではあるが、それを利用することもできる。

2010年の日本のイカロス宇宙船を皮切りに、いくつかのソーラーセイル宇宙船が打ち上げられ、テストされている。イカロスは、光子という形で太陽からの放射圧を宇宙船の制御に利用できることを証明した。最新のソーラーセイル宇宙船は、2019年に打ち上げられた惑星協会のLightSail 2だ。LightSail 2は3年以上にわたるミッションに成功した。

ソーラーセイル宇宙船には、他の宇宙船にはない利点がある。その推進システムは非常に軽量で、燃料が尽きることがない。ソーラーセイル宇宙船は、他の宇宙船よりも安価にミッションを遂行でき、限界はあるものの、より長持ちする。

ソーラーセイルのコンセプトは現在、機能することが証明されているが、真に効果的なものにするためには技術の進歩が必要だ。ソーラーセイル宇宙船の重要な部分はブームである。ブームは帆の素材を支えるもので、軽くて丈夫であればあるほど、宇宙船の効果は高まる。ソーラーセイルは他の宇宙船に比べてはるかに軽量だが、ブームの重さは依然として障害となっている。

NASAは、より優れた支持構造を持つ新しいソーラーセイル設計を発表しようとしている。Advanced Composite Solar Sail System (ACS3)と呼ばれるこのシステムは、これまでのブーム設計よりも丈夫で軽い。カーボンファイバーと柔軟なポリマーでできている。

ソーラーセイルには多くの利点があるが、重大な欠点もある。ソーラーセイルは小さなパッケージとして打ち上げられ、作動する前に広げなければならない。この作業は困難を伴い、成功するかどうかを見守りながら待たなければならない貧しい地上クルーにストレスを与える。

ACS3は、NanoAvionics社製の12ユニット（12U）キューブサットで打ち上げられる。主な目的はブームの展開を実証することだが、ACS3チームはこのミッションでソーラーセイル宇宙船が機能することを証明したいとも考えている。

方向を変えるために、宇宙船は帆の角度を変える。ブーム展開が成功すれば、ACS3チームは宇宙船でいくつかのマヌーバを行い、帆の角度を変え、宇宙船の軌道を変えたいと考えている。目標は、より大きな推力を発生できる大きな帆を作ることである。

ACS3のブームデザインは、重くてスリムか、軽くてかさばるか、というブームの問題点を克服するために作られた。

NASAのラングレー研究所のACS3主任研究員であるKeats Wilkieは、「ブームは、重くて金属製か、軽量の複合材でかさばるデザインのどちらかになりがちでした。ソーラーセイルには、コンパクトに折りたためる、非常に大きく、安定した、軽量のブームが必要です。このセイルのブームはチューブ状で、平らにつぶすことができ、巻き尺のように丸めて小さなパッケージにすることができます。一方で、温度変化時の曲げやたわみが少ないなど、複合材料の利点をすべて備えています」と、述べている。

ACS3はニュージーランドのロケットラボの発射場からエレクトロンロケットで打ち上げられ、地球上空1,000km（600マイル）の太陽同期軌道に向かう。到着後、宇宙船はブームを広げ、セイルを展開する。セイルの展開には約25分かかり、光子を集める面積は80平方メートル（約860平方フィート）。これは、セイル面積が32平方メートル（約340平方フィート）だったLightSail 2よりもはるかに大きい。

帆が展開する際、宇宙船に搭載されたカメラが形状や対称性を監視する。そのデータは将来のソーラーセイルの設計に反映される。

NASAエイムズ研究センターの主任システムエンジニアであるAlan Rhodesは、「7メートルの展開可能なブームは、手のひらに収まる形に巻き取ることができる。この宇宙船で検証された新技術が、他の宇宙船にインスピレーションを与え、我々が考えてもみなかったような使い方ができるようになることを期待しています」と、述べている。

ACS3はNASAの小型宇宙船技術プログラムの一部である。このプログラムは、独自の能力を実証する小型ミッションを迅速に展開することを目的としている。独自の複合材とカーボンファイバー製ブームを持つACS3システムは、2,000平方メートル（約21,500平方フィート）もの大きさのセイルを支える可能性を秘めている。これはサッカー場の約半分の面積だ。(あるいは、英国の友人たちは間違えてサッカー場と呼ぶが）。

大きな帆があれば、その力を利用できるミッションの種類も変わってくる。ソーラーセイルは今のところ小さな実証モデルだが、このシステムは本格的な科学ミッションに電力を供給できる可能性がある。

「太陽は何十億年も燃え続けるので、無限の推進力を得ることができる。将来のミッションのために巨大な燃料タンクを打ち上げる代わりに、すでに利用可能な “燃料 “を使用する大型セイルを打ち上げることができます。私たちは、この豊富な資源を利用して、探査と科学の次の大きな一歩を踏み出すシステムを実証します」と、Rhodesは言う。

ソーラーセイル宇宙船には、化学推進システムや電気推進システムのような瞬間的な推力はない。しかし推力は一定で、決して揺らぐことはない。ソーラーセイル宇宙船は、太陽の研究を可能にするユニークなポジションを取るなど、他の宇宙船が苦手とすることができる。また、コロナ質量放出や太陽嵐などの危険に対する早期警報システムとしての役割も果たすことができる。

新しいコンポジット・ブームには他にも用途がある。非常に軽量で強く、コンパクトであるため、月や火星の居住施設の構造的枠組みとして利用できる。また、通信システムのような他の構造物を支えるのにも使えるだろう。このシステムがうまく機能すれば、他にどんな用途があるかは誰にもわからない。

NASAエイムズでソーラーセイル・ミッションのプロジェクト・マネージャーを務めるRudy Aquilinaは、「このテクノロジーは想像力をかき立て、セーリングというアイデア全体を再考し、それを宇宙旅行に応用するものです。ソーラーセイルと軽量複合材ブームの能力を実証することは、この技術を使って将来のミッションを鼓舞するための次のステップです」と、述べている。

この記事は、EVAN GOUGH氏によって執筆され、Universe Todayに掲載されたものを、クリエイティブ・コモンズ・ライセンス（表示4.0 国際）に則り、翻訳・転載したものです。元記事はこちらからお読み頂けます。