ブレークスルースターショット

ブレークスルー・スターショットは、ブレークスルー・イニシアティブによる研究・エンジニアリング・プロジェクトであり、スターチップと名付けられた光帆恒星間探査機の概念実証艦隊を開発し、 4.34光年離れたアルファ・ケンタウリ恒星系への旅を可能にすることを目指している^{。 2016年に}ユーリ・ミルナー、スティーヴン・ホーキング、マーク・ザッカーバーグによって設立された。^{[2] [3]}

プロキシマ・ケンタウリbへのフライバイミッションが提案されている。プロキシマ・ケンタウリbは、アルファ・ケンタウリ系の主星プロキシマ・ケンタウリのハビタブルゾーンにある地球サイズの 太陽系外惑星である。 ^[4]光速の15%から20%の速度で^{[5] [6] [7] [8]}旅を完了するには20年から30年かかり、宇宙船から地球への返信メッセージには約4年かかる。

この恒星間旅行プロジェクトを可能にする概念原理は、カリフォルニア大学サンタバーバラ校のフィリップ・ルビンによる「恒星間飛行へのロードマップ」で説明されています。^{[9] [10]}軽量の宇宙船を送るには、最大100GWの総合コヒーレント出力を持つ、数キロメートルにわたるビーム操縦可能なレーザーのフェーズドアレイが必要です。^[11]

このプロジェクトは、物理学者でベンチャーキャピタリストのユーリ・ミルナーと、このイニシアチブの役員を務めていた宇宙学者のスティーヴン・ホーキングによって、2016年4月12日にニューヨークで開催されたイベントで発表された。他の役員には、Facebook, Inc.（現在はMeta Platformsとして知られている）のCEO 、マーク・ザッカーバーグがいる。このプロジェクトの初期資金は1億ドルである。ミルナーは、最終的なミッションのコストを50億～100億ドルと見積もっており、最初の宇宙船は2036年頃に打ち上げられる可能性があると見積もっている。^[6]ピート・ウォーデンがプロジェクトのエグゼクティブディレクターであり、ハーバード大学教授のアヴィ・ローブがプロジェクトの諮問委員会の議長を務めている。^[12]

ブレークスルー・スターショット計画は、超高速の光駆動ナノ宇宙船の概念実証と、次世代におけるアルファ・ケンタウリへの最初の打ち上げの基礎を築くことを目的としている。 ^[13]宇宙船は、その系内に存在する可能性のある地球に似た惑星をフライバイし、場合によっては写真を撮る。二次的な目標は、太陽系の探査と地球を横切る小惑星の検出である。^[14]

ヨーロッパ南天天文台（ESO）は2016年8月、アルファ・ケンタウリ系の3番目の恒星であるプロキシマ・ケンタウリを周回する惑星を発見したと発表した。 ^{[15] [16]}プロキシマ・ケンタウリbと呼ばれるこの惑星は、恒星のハビタブルゾーン内を周回している。この惑星は、ブレークスルー・イニシアチブのプロジェクトのターゲットとなる可能性がある。

2017年1月、ブレークスルー・イニシアティブとヨーロッパ南天天文台は、近隣の恒星系アルファ・ケンタウリにおける居住可能な惑星の探索に協力し始めた。 ^{[17] [18]この合意には、}チリにあるESOの超大型望遠鏡（VLT）のVISIR（中間赤外線用VLTイメージャーおよび分光計）装置のアップグレードにブレークスルー・イニシアティブが資金を提供することが含まれている。このアップグレードにより、この系における惑星検出の可能性が高まるだろう。

スターショットのコンセプトは、約1,000個の小さな宇宙船（センチメートル単位）を搭載した「母船」を高高度の地球軌道に打ち上げ、展開させることを想定している。地上レーザーのフェーズドアレイがこれらの宇宙船の帆に光線を集中させ、10分以内に宇宙船を1つずつ目標速度まで加速する。平均加速度は100 km/s ² (10,000  ɡ ) 程度で、各帆に照射される照射エネルギーは1 TJ程度である。予備的な帆モデルでは、表面積が4 m × 4 mと提案されている。^{[19] [20]} 2017年10月のスターショットシステムモデルのプレゼンテーション^{[21] [22]}では円形の帆が検討され、帆の直径を5メートルにすることでビームディレクターの資本コストが最小化されることがわかった。

地球サイズの惑星プロキシマ・ケンタウリbは、アルファ・ケンタウリ系の居住可能領域内にある。理想的には、ブレークスルー・スターショットは、その惑星から1天文単位（1億5000万キロメートルまたは9300万マイル）以内に宇宙船を向けることになる。この距離から、宇宙船のカメラは表面の特徴を解像するのに十分な解像度の画像を撮影できる。^[23]

艦隊には約1000機の宇宙船が含まれる。スターチップと呼ばれるそれぞれの宇宙船は、数グラムの重さしかない非常に小さなセンチメートルサイズの乗り物である。 ^[1]これらは、合計出力が最大100GWに達する10kWの地上設置型レーザーの平方キロメートルアレイによって推進される。 ^{[24] [25]}約1000機の宇宙船の群れが、目標に向かう途中で 星間塵の衝突によって引き起こされる損失を補う。 ^{[24] [26]} 2016年の詳細な研究で、ティエム・ホアンと共著者ら^[27]は、塵、水素、銀河宇宙線との衝突を緩和することは、搭載センサーの品質を制限する可能性が高いものの、当初考えられていたほど深刻な技術的問題ではない可能性があることを発見した。^[28]

光推進には莫大な電力が必要で、1ギガワットの電力を持つレーザー（大型原子力発電所の出力とほぼ同じ）でも、推力はわずか数ニュートンにしかなりません。^[25]宇宙船は、わずか数グラムの質量にすることで推力の低さを補います。カメラ、コンピューター、通信用レーザー、原子力電源、ソーラーセイルは、質量制限内に収まるように小型化する必要があります。^{[25] [29]すべてのコンポーネントは、極端な}加速、寒さ、真空、陽子に耐えられるように設計する必要があります。 ^{[26]宇宙船は}宇宙塵との衝突に耐える必要があります。スターショットは、正面断面の各平方センチメートルが、少なくとも0.1μmのサイズの約1,000個の粒子と高速で衝突することを予想しています。^{[25] [30]}合計100ギガワットのレーザーセットをソーラーセイルに集中させることは、大気の乱れのために困難であるため、宇宙ベースのレーザーインフラストラクチャを使用するという提案があります。^[31]さらに、光帆の大きさと加速終了時の光帆とレーザーとの距離により、レーザーを集束させるために非常に大きなコヒーレント結合光学系が必要になる。^{[32] [33]}使用されるレーザー光の回折限界により、光源におけるコヒーレントに集束されたレーザービームの最小直径が決まる。例えば、前述の4mの帆を10,000Gsで0.2cまで加速するには、帆にレーザー光を集束させるために直径約3kmの結合光学系が必要になる。これは、カリフォルニア大学サンタバーバラ校で研究されているフェーズドアレイシステムを使用して実装できる。^{[34] [35]}エコノミストによると、少なくとも12の既成技術を桁違いに改善する必要があるという。^[25]

スターチップは、ブレークスルー・イニシアティブがブレークスルー・スターショット計画のために構想しているセンチメートルサイズ、グラム規模の非常に小型の恒星間 宇宙船に付けた名前である。 ^{[1] [36]この計画は、1,000個の}スターチップからなる艦隊を地球から約4.37光年離れた最も近い恒星系であるアルファ・ケンタウリまで打ち上げるというものである。^{[37] [6] [38] [5] [39] [40]}この旅には、主星のハビタブルゾーン内にある地球サイズの太陽系外惑星であるプロキシマ・ケンタウリbへのフライバイが含まれる可能性がある。 ^[4]超軽量のスターチップロボットナノクラフトは光帆を装備し、光速の20% ^{[1] [6] [38] [5]}と15% ^[5]の速度で移動することが計画されており、それぞれ恒星系に到達するのに20年から30年かかり、到着成功を地球に通知するのに約4年かかります。^[6]実用的な恒星間旅行を可能にする概念的原理は、スターショットプロジェクトの顧問である カリフォルニア大学サンタバーバラ校のフィリップ・ルービンによる「恒星間飛行へのロードマップ」で説明されています。^[9]

2017年7月、科学者らは、スターチップの前身であるスプライトが、サティシュ・ダワン宇宙センターからISROの極軌道衛星打ち上げロケットで正常に打ち上げられ、飛行したと発表した。^{[41]また、105個のスプライトは、2018年11月17日に打ち上げられた}キックサット2ミッションでISSに運ばれ、2019年3月18日に展開された。スプライトは、3月21日に大気圏に再突入して燃え尽きる前に、データを正常に送信した。^{[42] [43] [44] [45]}

各スターチップナノクラフトは、小型カメラ、ナビゲーション装置、通信機器、光子スラスタ、電源を搭載する予定です。さらに、各ナノクラフトには、グラム単位の質量を持つ軽量素材で作られたメートル単位の光帆が装備されます。^{[1] [36] [37] [6] [39] [40] [46] [47]}

それぞれ最低2メガピクセルの解像度を持つ5台のサブグラムスケールのデジタルカメラが想定されている。^{[1] [48]}

4つのサブグラムスケールプロセッサが計画されている。^{[39] [49]}

それぞれが1Wのダイオードレーザーレベルで最低限動作できるサブグラム規模の光子スラスタが4つ計画されている。^{[36] [50] [51]}

プルトニウム238またはアメリシウム241を動力源とする150mgの原子電池が計画されている。^{[6] [40] [52]}

ナノクラフトを塵の衝突や原子粒子の侵食から守るために、おそらくベリリウム銅で作られたコーティングが計画されている。 ^{[40] [53]}

光帆は4×4メートル（13×13フィート）以下の大きさになる予定で、^{[1] [54]}グラフェンベースの複合材料で作られる可能性がある。^{[1] [37] [6] [40] [47] [55]}この材料は非常に薄く、レーザー光線を反射しながら入射エネルギーのごく一部しか吸収できないものでなければならない。そうでないと帆が蒸発してしまう。^{[1] [6] [56]}光帆は巡航中に電源としても機能する可能性がある。星間物質の原子との衝突により60ワット/m2の電力が供給されるためである^。 [ ^52]

光帆を主反射鏡として利用するレーザー通信機は、地球上に直径30メートルの受信望遠鏡があると仮定すると、アルファケンタウリまでの距離で送信電力1ワットあたり2.6～15ボーのデータレートが可能になる。^[57]

スターショット計画は、高速でターゲットを通過するフライバイミッションです。ヘラーら^[58]は、光重力アシストを使用してそのような探査機を減速させ、軌道に入ることを提案しました（エアロブレーキングに似た操作で光子圧を使用）。これには、提案されているスターショットの帆よりもはるかに軽量で大きな帆が必要です。下の表は、光重力アシストランデブーの対象となる可能性のある星を示しています。^[58]移動時間は、最適化された宇宙船が星まで移動し、その後星の周りの軌道に入るのに計算された時間です。

• α Cen A と B での連続的なアシストにより、両方の恒星への移動時間は 75 年になる可能性があります。
• ライトセイルの公称質量対表面積比（σ _nom ）は、公称グラフェンクラスのセイルの場合、8.6×10 ⁻⁴グラム m ^{−2です。}
• 光帆の面積は約10 ⁵ m ² = (316 m) ²
• 速度最大37,300 km s ⁻¹（12.5% c）

ドイツの物理学者クラウディウス・グロスは、ブレークスルー・スターショット計画の技術を、一時的にしか居住できない太陽系外惑星に単細胞微生物の生物圏を確立するための第2段階で使用できると提案している。^{[59] [60]}ジェネシス探査機は光速の4.6%という低速で移動するため、アルファ・ケンタウリAに到達するには少なくとも90年かかる。帆は、アルファ・ケンタウリAからの恒星の圧力でブレーキがかかり、探査機がアルファ・ケンタウリBの方向に逸れるように構成することができ、数日後には到着する。その後、帆は再び光速の0.4%に減速され、プロキシマ・ケンタウリに向かって発射される。その速度では、打ち上げから約140年後、さらに46年後に到着する。したがって、磁気帆を使用して減速することができる。^[61]

• 公式サイト
• ビデオ (00:35) – StarChip の起動 – YouTubeのコンセプト
• ビデオ (02:06) – YouTubeの「Going interstellar (NASA)」
• ビデオ (12:16) – スターショットの宇宙探査の旅は成功するのか? (PBS Digital Studios) YouTubeで