プロキシマ・ケンタウリ群：恒星間距離におけるピコ宇宙船群
(astrobiology.com)Proxima Centauriへの群飛行：超小型宇宙船の恒星間距離を越える一貫した群飛行
概要
- 記事タイトル: Swarming Proxima Centauri: Coherent Picospacecraft Swarms Over Interstellar Distances
- 著者: Keith Cowing
- 出典: NASA NIAC
- 日付: 2024年5月18日
- 主題: 'Oumuamua、Interstellar、laser propulsion、NASA、NIAC、Picospacecraft、Proxima Centauri、Proxima Centauri b、smallsats、Thomas Eubanks
主な内容
超小型宇宙船の可能性
- 超小型宇宙船: グラム級の超小型宇宙船は、レーザー光で推進されて他の恒星へ到達できる唯一の技術になると見込まれている。
- レーザー推進: 今世紀半ばまでに約100GWの強力なレーザービームが、数グラムの宇宙船を相対論的速度まで加速できると想定している。
- レーザーセイル: 打ち上げに耐えられる堅牢なレーザーセイルと、地球からの光信号を捕捉できる大型の光受信機（約1平方キロメートル）が必要となる。
代表的なミッション
- ミッション目標: 今世紀半ばに、数千機の超小型宇宙船群を使ってProxima bをフライバイするミッションを提案している。
- 制約条件: 打ち上げ質量（グラム）、オンボード電力（ミリワット）、通信口径（センチメートルからメートル）など、極端な制約がある。
- 群の必要性: 多数の宇宙船が協調して強力な光信号を生成する必要がある。
自律性とネットワーク
- 自律性: 往復で8年の時間遅延があるため地球からの実質的な制御は不可能であり、群は高い自律性を持たなければならない。
- ネットワーク: 低電力の光リンクでメッシュネットワークを構築し、正確な位置・航法・タイミング（PNT）を支えるために地球および相互間で時計を同期する必要がある。
打ち上げと飛行
- 打ち上げ方式: 約0.2cの速度で1機ずつ打ち上げられる長い宇宙船列として始まる。
- 時間同期: 打ち上げ後、ドライブレーザーを信号と時計同期に用い、継続的な時刻信号を提供する。
- 速度調整: 初期加速を調整し、列の後端が先頭に追いつくようにする。
- 群形成: 数百〜数千AUに及ぶ初期の列が、時間の経過とともにレンズ状のメッシュネットワークへと動的に結合される。
通信とデータ転送
- 位置同期: 群の各メンバーは互いの相対位置を把握し、最新のマイクロミニチュア時計を使って同期を維持する。
- データ転送: すべての宇宙船が同じデータを送信するが、相対位置に応じて送信時刻を調整し、地球の受信アレイに同時到達するようにする。
- 電力増幅: 群の各宇宙船が単一の短いが非常に明るいレーザーパルスを生成し、データ伝送能力を最大化する。
群の利点
- リスク緩和: 群は航路上での相当な損失に耐えられるため、「すべての卵を一つのかごに入れる」リスクを緩和する。
- 多視点観測: Proxima bを複数の視点から至近距離で観測できる。
実験と将来ミッション
- 現在の実験: 群技術はシミュレーション環境で探究し、テストできる。
- 将来ミッション: 地球または月軌道から始まり、外部太陽系へ拡張できる複数のミッションが想定される。
- 例示ミッション: 急速に遠ざかる恒星間天体1I/’Oumuamuaや、太陽重力レンズを探査できる可能性がある。
GN⁺の見解
- 技術的課題: 超小型宇宙船群の自律性とネットワーク同期は、非常に大きな技術的課題である。
- 将来の可能性: この技術が成功すれば、宇宙探査の新たな時代を開き、既存技術を補完できる可能性がある。
- リスク要因: 群は相当な損失に耐えられるものの、依然として多くの技術的リスクが存在する。
- コスト問題: こうしたミッションの実行には、相当な費用と資源が必要になると見込まれる。
- 類似プロジェクト: Breakthrough Starshotプロジェクトのように、同様の目標を持つ他のプロジェクトも存在する。
1件のコメント
Hacker News のコメント
月面着陸の11年後に生まれ、理論上120歳まで生きるなら、Proxima 群探査機のフライバイデータを見られるかもしれない。
2076年に打ち上げ、0.2cで20年飛行し、情報が戻ってくるのに4年かかると仮定した計算。
この計画が実際に配備される可能性も、自分がその時まで生きている可能性も非常に低いが、人類がほぼ一生のうちに月から最も近い恒星まで行けるという考えは、それでも励みになる。
Proximaにも月と同じように「何もない」だろうが、要点はそこではない。
価値あるものは地球で共に暮らす人々の中にあるが、私たちには共有できる野心と夢が必要だ。
夢見る価値があるために必ず筋が通っていなければならないわけではなく、むしろ四半期報告書や業績評価の「合理性」こそが夢の敵だ。
ガス巨大惑星の衛星もかつては不活発で退屈だと思われていたが、実際に行ってみると、多様で興味深い特徴に満ちていた。
名前を思い出せない何かの「法則」か「パラドックス」があって、2076年に0.2cで打ち上げても、後からもっと速いものを送り、元の探査機を追い越せるという内容だった。
直接見るまでは分からない。
群全体が地球と通信するために同時に非常に明るいレーザーパルスを作るという説明は、実現可能には見えない。
理解した限りでは位置を維持する方法がなく、星間物質が比較的空っぽでも、光年単位ではドリフトが生じるはずだ。
独立した宇宙機同士が、信号を地球で受信可能なほど精密に同期して重ね合わせるというのはもっともらしくないし、減衰も相当なはずなので、数字を見てみたい。
ある程度の位置維持も可能だ。
姿勢を調整して抗力ベクトルの大きさと方向を調整するというアイデア。
https://arxiv.org/abs/2309.07061
現在の技術では明らかに不可能だが、完全に魔法のような物質レベルというわけでもないと思う。
各探査機の信号をコヒーレントに加算する計画のように聞こえるが、そのためにはレーザーパルス同士もコヒーレントである必要がある。
可視光の波長は数百ナノメートルなので、提示されているはるかに大きな探査機間隔に比べて、空間的にその程度の精度が必要になる。
時間的コヒーレンスまで考えると、探査機同士が互いのレーザーに能動的にロックしない限りおそらく不可能で、その場合、各探査機には少なくとも近隣の機体へ光信号を送り、検出する光学系が必要になる。
重量制限の範囲内で不可能だと断言するのは難しいが、かなり荒っぽく見える。
「光年単位」というのは、互いの移動を調整するのに文字通り何年もかかるという意味で、打ち上げ後に地球から送る調整メッセージは言うまでもない。
各宇宙機が通信レーザーを推力源として使える。
似た文脈で、生きているうちに太陽重力レンズで系外惑星を撮影するのをどうしても見たい。
まだかなり時間は残っているが、こうした大型天文学プロジェクトが少しずつしか進まないのはもどかしい。
太陽重力レンズのように540AU離れた場所ではなく、L2に望遠鏡を置くだけでよい。
後者ほど強力ではないが、距離のスケールだけ見てもはるかに実行可能で、本質的には「地球観測用」の James Webb になるだろう。
[1] https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2019ESS.....433310K/abstra...
怠けず、2050年までに最初のレンズ光も受け取ってくれ。
死ぬ前に実現するのを見たい夢のプロジェクトの一つだ。
これが何で、何を意味し得るのかを知らない人のために：
https://www.space.com/sun-gravity-could-help-observe-exoplan...
10年単位のプロジェクトという概念があり、作業部会やより小さなグループで継続的に磨き込まれている場合もある。
意図的に公開の議論が多くないこともある。
アイデアがまだ実現可能でなくても、新しい技術が出てくると古いアイデアが再び引き出しから取り出されることもある。
また、あまりに空想的なアイデアは即座に反発を受け、議会の人たちが乗って資金を出しにくくなる。
幸い、JWSTがさまざまな遅延の後でも一般に成功したことで、こうしたプロジェクトはより前向きに見られるようになった。
ただ、Boeingが関わらないことを願うばかりだ。
時間がたっぷりあるなら、見たいと思っているこのプロジェクトを自分で手伝うこともできる。
この用途に群探査機は非効率に見える
あまりにも多くの質量を重複させているが、その質量は1機の宇宙船の中で「1つのかご」に入れるのではなく、十分な冗長性として使うこともできる
また、数百〜数千AUの長さの初期の列が、時間とともに幅100,000kmのレンズ状メッシュネットワークにまとまるという説明は不可能に見える
列の最前部や最後部にある極めて小さな物体が、数光年離れたレーザーだけをエネルギー源にして、どうやって数百AU分も再配置できるほど減速または加速し、さらに編隊を維持する速度へ再調整できるのか？
レンズは撮影のために目標を向くのか、それとも通信のために地球を向くのか？ 前者なら地球へ信号を送る利得をどう得るのか、後者なら目標について有用な科学観測をどう行うのか？
通信について、ごく大まかなリンクバジェット計算でもした人はいるのか？ レーザービームは発散し、コヒーレンスを失うのに、なぜ永遠に収束し、コヒーレンスを保つと仮定しているように見えるのか？
100GWレーザーが100,000kmまで発散し、半径±50,000kmの位置にあるときのエネルギー密度はどれくらいか？ レンズ端の群の構成機も中心部と同じ電力を必要とすると考えるからだ
だから小さな宇宙船を使う必要があり、その小さな宇宙船1機ではすべてをこなせないので、複数を送るということ
また、提案はそういう方式ではない
各宇宙船には独自のエネルギー源があり、実際のひももない
ここでの「列」と「メッシュ」は実物ではなく幾何学的形状を指している
どのようにまとまるかは、引用文の直前の文に出ている。初期加速を調整して列の尾部が先頭に追いつくようにし、20年の巡航中に星間物質が与える抗力を利用して、組み立て後の群をまとめて維持するというもの
通信レンズは探査機メッシュのレンズ形状やデータ収集装置とは無関係
画像を撮ることと送ることには別のものを使う
地球へ信号を送る利得は、各探査機が同じデータを送りつつ、相対位置に合わせて放出時刻を調整し、地球の受信アレイにパルスが同時に到着するようにする、という記事の説明に相当する
100GWレーザーの発散後のエネルギー密度は、電源ではないので無関係
Asimovがそういうものを書いていたが、太陽に十分近づけられさえすれば、宇宙の暗い場所に無制限の電力を供給できるはず
ピッチドロップ実験を運営している人たちは、自分の生涯のうちに決定的な結果を期待してやっているわけではない
ロケット技術がもっと日常的になる前のJPLの博士課程学生たちも、おそらく似たように感じていたはず
この試みに参加しようとする人なら、勤務人生のうちに得られるものはせいぜい二次・三次的な成果物だという点を受け入れてこそ楽しみや名誉を得られ、装置そのものから実質的な結果を見つけることはないだろう
SKAの建設を手伝うことやWebbを打ち上げることと比べると、1人あたりの費用に対する生涯内の成果はそちらのほうが大きいかもしれない
だからといってそちらが「より良い」という意味ではなく、主ミッションの科学成果をより早く出すという意味
副次的・三次的効果の領域にも良い科学はたくさんある
宇宙で長期保管した後に起動するよう設計されたシステムの挙動、新しい推進モデルなど、良い科学には終わりがない
Voyagerをやり直すなら、今なら10倍や100倍優れた打ち上げ手段と無線周波数システムを用意できるので、同じ場所での結果をより早く出せるだろうと聞いた
しかしBrilliant dustに取り組む誰も、「Proxima Centauriの近接最新画像」のような成果を見ることはないだろう
光速の意味のある割合に到達するコストが高すぎる
レーザーが何にも当たらないなら、ビームはどれくらいの距離までかなり細く保たれるのか？ 放出器の幾何構造の関数なのか？
100GWレーザーを小さなシリコン片に向ければ非常に熱くなるはずなので、遠くにある非常に小さな探査機に周期的に当てれば、推進だけでなく電源供給にもなり得るのではないかという考え
十分遠くでも当てられるならの話だが
探査機を非常に軽くすることは、星間飛行に有用な速度まで質量を加速する問題への説得力ある答えであり、シリコン片の中にかなりの機械を入れることもできる
チップが遠方のレーザー放出器からエネルギーを吸収して一部を蓄え、計算を行い、表面のLEDのようなものでエネルギーを放出して位置を微調整したり、群の他のチップと通信したりするのは、緩く見ればそれなりにあり得る
SFとしては十分に機能するし、現実でも実装可能かもしれない
ビームが初期ビームサイズ、つまりウエストのsqrt(2)まで発散する距離 [1]
この距離はビームウエストの二乗に比例し、波長に反比例する
1mのビームと1umの波長なら約3e6m、つまり3000km
したがってビーム径が大きく波長が長いほど発散は減る
初期距離の間、元のビーム形状を維持できる「非回折」ビーム形状もあり、たとえばベッセルビームがある [2]
[1] https://en.m.wikipedia.org/wiki/Rayleigh_length
[2] https://en.wikipedia.org/wiki/Bessel_beam
探査機のオンボード時計を地球や互いと同期させ、正確な位置・航法・時刻を支援するという部分は、少なくとも一見すると、相対論的速度で移動することを考えればとてつもない難題に見える
減速はどうするのか？ どこかの時点で帆を裏返して星明かりで減速させるのか？
多数の探査機を光学的にコヒーレントに保てるなら、太陽系内の離れたミラー群でも同じことができる
この群のサイズである100,000km望遠鏡なら、Proxima Centauriから数百メートル未満の特徴も分解できる
あるいは計算干渉計を使うこともできるが、可視光波長で光の位相を正確に測定できなければならず、これはまだ解決されていない問題
「グラム単位の小さな恒星間探査機をレーザー光で押し出すことが、今世紀中に別の恒星へ到達できる唯一の技術である可能性が高い」という話については、ここでビーム推進を見てみると別の視点が得られるかもしれない
http://www.gdnordley.com/_files/2way%20EML%20&%20PB%20prop.p...
技術がどれほど発展しても、低質量の物体しか光速に近い速度まで加速できないのだとすれば、高度に知的で技術的に発展した存在たちは、銀河を探検するために自分の身体の質量を減らしたのかもしれない
最も進歩し知的な存在が、わずか数グラムの質量しかない可能性もある
少なくとも興味深いSFネタにはなる ;-)