重力トラクター

重力トラクターは、宇宙にある他の物体（典型的には地球に衝突する可能性のある潜在的に危険な小惑星）を、物理的に接触することなく、その重力場のみを使用して必要な衝撃を伝達することで方向転換させる理論上の宇宙船である。^{[1] [2]} 近くの宇宙船の重力は小さいながらも、その宇宙船が小惑星の近くで十分な時間を過ごせば、はるかに大きな小惑星の進路を変えることができる。必要なのは、宇宙船が小惑星の進路に対して一定の方向に推進し、宇宙船もその放出された反応質量も小惑星に直接接触しないことだけである。トラクター宇宙船は、方向転換する物体の近くでホバリングすることも、軌道面に対して垂直に排気を向けながらその物体を周回することもできる。

このコンセプトには、2 つの重要な利点があります。つまり、小惑星の機械的構成と構造について事前に知る必要が本質的に何もないこと、および使用される力が比較的小さいため、太陽の周りの小惑星の軌道を極めて正確に操作および決定できることです。他の偏向方法では、小惑星の正確な質量の中心を決定する必要があり、その回転または自転を止めるためにかなりの労力が必要になる可能性がありますが、トラクター方式を使用すると、これらの考慮事項は無関係になります。

将来地球に衝突すると判明している軌道上にある小惑星が発見された場合、その小惑星との壊滅的な衝突を回避する方法については、さまざまな検討事項が生じる。主な課題の 1 つは、質量、組成、機械的強度が不明な小惑星に、小惑星を破片に砕かずに必要な衝撃(おそらくかなり大きい) を伝える方法である。破片の一部は、衝突軌道上に放置されると、それ自体が地球にとって危険となる可能性がある。重力トラクターは、宇宙船自身の質量と関連する重力場を利用して必要な偏向力を発生させ、物体全体を長時間かけて緩やかに加速することでこの問題を解決している。重力はすべての質量に同様に影響を及ぼすため、小惑星は全体としてほぼ均一に加速され、潮汐力(極めて小さいはず) のみが内部構造にストレスを与えることになる。

さらなる利点は、宇宙船のトランスポンダーがトラクター/小惑星システムの位置と速度を継続的に監視することにより、小惑星の偏向後の軌道を正確に把握し、最終的に安全な軌道に配置することができることです。^[3]

トラクターのコンセプトの限界には、排気口の構成が含まれます。最も効率的なホバリング設計 (つまり、燃料単位あたりの力を最大にするために排気口をターゲット オブジェクトに直接向ける) では、排出された反動質量がターゲットに正面から衝突し、トラクターの重力とまったく逆方向に力を与えます。^[4]したがって、以下に説明する軌道トラクター方式を使用するか、ホバリング トラクターを設計して、排気口がオブジェクトからわずかに離れた角度で向けられ、安定したホバリングを維持できる程度に「下」を向くようにする必要があります。^{[5]この場合、ターゲットの速度が 1}メートル / 秒変化するごとに、より大きな推力とそれに応じた燃料消費量の増加が必要になります。

イオン推進の推力が小惑星の塵に与える影響の問題が提起されており、重力トラクターの軌道維持位置を制御するための代替手段を検討する必要があるかもしれないことを示唆している。この点で、ソーラーセイルが提案されている。^[6]

ラスティ・シュバイカートによると、重力牽引法も議論を呼んでいる。なぜなら、小惑星の軌道を変える過程で、小惑星が地球に衝突する可能性が高い地点がゆっくりと異なる国々に移動するからである。つまり、特定の国の安全保障を犠牲にして、地球全体への脅威を最小限に抑えることになる。シュバイカートの意見では、小惑星を「牽引」する方法を選択することは難しい外交上の決定となるだろう。^[7]

大きさが約 100 メートル、質量が 100 万トンのNEOが地球に衝突する恐れがあり、その NEOを地球を迂回する安全で安定した軌道に配置するには 1 秒あたり 1 センチメートルの速度補正で十分である場合、その補正は 10 年以内に適用する必要があります。

これらのパラメータでは、必要なインパルスはV  × M   = 0.01 m/s × 10 ⁹ kg = 10 ⁷  Ns となり、小惑星に対する 10 年間 (3.156×10 ^{8秒) の平均牽引力は約 0.032}ニュートンとなる。 比インパルスが 10,000 Ns/kg のイオン電気宇宙船は、イオンビーム速度 10 キロメートル/秒 (最良の化学ロケットで得られる速度の約 20 倍) に相当し、インパルスを供給するために 1,000 kg の反応質量 (現在はキセノンが好まれている) が必要となる。イオンビームの運動出力は約 158 ワットとなり、電力変換器とイオン駆動装置への入力電力は当然大幅に高くなる。宇宙船は十分な質量を持ち、小惑星に十分近い位置に留まる必要がある。そうすることで、小惑星の平均重力の望ましい方向への成分が、要求される0.032ニュートン以上になる。宇宙船が質量の中心から200メートル離れた小惑星の上空をホバリングしていると仮定すると、重力の影響で、約20メートルトンの質量が必要になる 。

${\displaystyle m_{2}={\frac {Fr^{2}}{Gm_{1}}}={\frac {0.032\ N\times (200\ m)^{2}}{6.674\times 10^{-11}\ N\!\cdot \!m^{2}\!\cdot \!kg^{-2}\times 10^{9}\ kg}}\approx 19200\ kg}$

トラクターが小惑星の周りでホバリングする位置や軌道について考えると、2 つの物体が重力で相互軌道に束縛されている場合、一方が他方の周りの軌道から抜け出すのに必要な量よりも小さい任意のインパルスを受けると、それらの間の重力により、そのインパルスは複合システムとしてみなされる両方の運動量を変えることに注意してください。つまり、トラクターが束縛軌道にとどまっている限り、トラクターに適用された推進力は、トラクターが周回する小惑星に効果的に伝達されます。これにより、トラクターのさまざまな軌道やホバリング戦略が可能になります。1 つの明らかな可能性は、宇宙船が NEO を周回し、軌道の法線を目的の力の方向に向けることです。イオン ビームは反対方向に向けられ、これも軌道面に対して垂直になります。その結果、軌道面が小惑星の中心からいくらか離れ、「牽引」されることになりますが、軌道速度は推力に対して垂直であり、一定のままです。軌道周期は数時間で、基本的に大きさには依存しませんが、対象天体の密度にわずかに依存します。

小惑星リダイレクトミッションの車両は、危険な大きさの小惑星で重力トラクター惑星防衛技術をテストすることができます。重力トラクター方式は、宇宙船の質量を利用して小惑星に重力を与え、小惑星の軌道をゆっくりと変えます。

• ナショナルジオグラフィック、2007年2月17日
• ニューサイエンティスト、2005年11月9日
• B612財団