レーザーで薄い宇宙船を恒星に送れる

研究者らによると、レーザーは現在、星間宇宙探査機の打ち上げに利用できるほど進歩しているという。

科学者たちは、1グラムサイズのレーザー推進宇宙探査機は光速の25パーセント以上に達し、約20年で最も近い恒星に到達できると計算している。

1977年に打ち上げられたボイジャー1号宇宙船は、時速約3万8000マイル、つまり光速の0.006パーセント以下の速度で37年間の飛行を経て、ついに太陽系を離れる。これは、従来の推進技術では人類が最も近い恒星にさえ到達できないことを示唆していると、カリフォルニア大学サンタバーバラ校の実験宇宙学者フィリップ・ルービン氏は言う。

ルビン氏と彼の同僚は、代わりにレーザーで小型探査機を相対論的速度、つまり光速に近い速度まで加速し、人間の寿命の間に近くの恒星に到達できると示唆している。「現時点では、相対論的飛行への現実的な道筋を提示できる技術は他にありません」とルビン氏は言う。

現在の宇宙船が推進に使用しているすべてのスラスタの問題は、搭載して推進に使用する推進剤に質量があることです。恒星間宇宙船は大量の推進剤を必要とするため重くなり、さらに推進剤が必要になり、さらに重くなる、という具合です。

一方、光子駆動では、宇宙船に鏡を装備し、推進力を得るために遠くの光源に頼ることになる。ソーラーセイルは太陽の光に依存し、レーザーセイルは強力なレーザーに頼る。

ルビン氏は、光子駆動装置が目新しいものではないことを認めている。ヨハネス・ケプラーは1610年にガリレオ・ガリレイに宛てた手紙の中で、「天空のそよ風に適した船や帆があれば、その広大な空間にさえひるまない者もいるだろう」と書いている。ルビン氏によると、新しいのは、レーザー技術における最近のあまり評価されていない画期的な進歩により、宇宙船を相対論的な速度まで加速できることが示唆されていることだ。

レーザー技術の進歩により、宇宙船を相対論的な速度まで加速できるようになったことが示唆されている。

ルビンのアプローチの基盤となる進歩は、レーザーアレイに関するものだ。極めて強力なレーザーを 1 つ作るという技術的に困難な作業の代わりに、研究者たちは、同期して 1 つの強力なレーザーのように機能する、比較的小規模なレーザー増幅器を多数集めたフェーズドアレイを今では作ることができる。この戦略では、巨大なレンズ 1 つも必要なく、代わりに小型の光学系のフェーズドアレイが使用される。

研究者らは、現在存在するキロワット規模のイッテルビウムレーザー増幅器のフェーズドアレイを構想しており、徐々に規模を拡大し、時間をかけてレーザーを追加していくことができる。たとえば、現在の 1 ～ 3 キロワットのイッテルビウムレーザー増幅器は教科書ほどの大きさで、重さは約 5 キログラムである。

科学者らは最終的に、地球軌道上で 10 キロメートル四方の 50 ～ 70 ギガワットのアレイが、幅 1 メートルの帆を備えた 1 グラムサイズのウェハーのような宇宙船を、約 10 分間の照射で光速の 25 パーセント以上まで加速し、火星に 30 分、アルファケンタウリに約 20 年で到達できると計算している。研究者らは、このアレイは年間およそ 4 万個の相対論的ウェハーサイズの探査機を打ち上げることができると示唆している。各「ウェハーサット」は、カメラ、通信、電源、その他のシステムを搭載した完全な小型宇宙船となる。

同じアレイは、8.5キロメートル幅の帆を備えた100トンの宇宙船（ロケットを除く満載のスペースシャトルとほぼ同じ質量）を、約15年間の照射で光速の約0.2パーセントまで加速させることができる。しかし、その速度でアルファケンタウリに到達するには約2,200年かかる。ルービン氏は、遠い将来の人類による恒星間旅行には、より大規模なアレイのほうが理にかなっていると示唆しているが、「しかし、個人的には、多くのロボット探査機がその必要性を確立するまでは、これを優先事項とは考えていません」。

この戦略の大きな問題はブレーキングだ。研究者たちは現在、レーザー駆動の宇宙船を減速させて、派遣先の遠方の惑星の周回軌道に乗せる手段を持っていない。相対速度まで加速する最初のミッションは、単にターゲットのそばを飛行し、レーザーでデータを送信するだけで済むかもしれない、とルビン氏は指摘する。

ルービン氏は、このようなレーザーアレイには宇宙探査以外にも多くの用途があると指摘する。例えば、小惑星を地球から遠ざけたり、宇宙船や宇宙飛行士、衛星への脅威を防ぐために軌道から破片を吹き飛ばしたりできる。