[論文レビュー] A Roadmap to Interstellar Flight

Philip Lubin|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2016

Space Science and Extraterrestrial Life参考文献 9被引用数 13

ひとこと要約

本論文は、地上のレーザー配列を用いて軽量な「ウェーパーサット」（グラムスケールの統合機器を備えた宇宙船）を相対論的速さ（光速の1/4以上）で加速することで、有人飛行を含む恒星間飛行のロードマップを提唱する。この手法により、数十年で近隣の星に到達可能な飛行が可能となり、スケーラブルな光子推進とミニチュア化技術を活用して、現在の推進技術の限界を克服する。

ABSTRACT

In the nearly 60 years of spaceflight we have accomplished wonderful feats of exploration that have shown the incredible spirit of the human drive to explore and understand our universe. Yet in those 60 years we have barely left our solar system with the Voyager 1 spacecraft launched in 1977 finally leaving the solar system after 37 years of flight at a speed of 17 km/s or less than 0.006% the speed of light. As remarkable as this is we will never reach even the nearest stars with our current propulsion technology in even 10 millennium. We have to radically rethink our strategy or give up our dreams of reaching the stars, or wait for technology that does not currently exist. While we all dream of human spaceflight to the stars in a way romanticized in books and movies, it is not within our power to do so, nor it is clear that this is the path we should choose. We posit a technological path forward, that while not simple, it is within our technological reach. We propose a roadmap to a program that will lead to sending relativistic probes to the nearest stars and will open up a vast array of possibilities of flight both within our solar system and far beyond. Spacecraft from gram level complete spacecraft on a wafer ("wafersats") that reach more than $1/4c$ and reach the nearest star in 20 years to spacecraft with masses more than $10^5$ kg (100 tons) that can reach speeds of greater than 1000 km/s. These systems can be propelled to speeds currently unimaginable with existing propulsion technologies. To do so requires a fundamental change in our thinking of both propulsion and in many cases what a spacecraft is. In addition to larger spacecraft, some capable of transporting humans, we consider functional spacecraft on a wafer, including integrated optical communications, imaging systems, photon thrusters, power and sensors combined with directed energy propulsion.

研究の動機と目的

• 現在の化学的・電気的推進技術では、現実的な時間枠内で恒星間飛行に必要な速度に到達できないという根本的制限に対処すること。
• 質量と速度の制約により、従来の宇宙船では恒星間ミッションが現実的でないことを克服すること。
• 指向性エネルギー推進を用いて、近隣の星に相対論的プローブを送るためのスケーラブルで技術的に実現可能な道筋を確立すること。
• 推進技術と宇宙船設計を現在の能力をはるかに超えて発展させることで、ロボットミッションおよび、将来的には有人ミッションを可能にすること。
• 宇宙船を統合的・ミニチュア化されたシステムとして再定義することで、相対論的速さで深宇宙飛行が可能な新しい探査のパラダイムを切り開くこと。

提案手法

• 地上のレーザー配列を用いて指向性エネルギー推進を実現し、軽量宇宙船を相対論的速さに加速すること。
• 「ウェーパーサット」として、グラムスケールで完全に統合された宇宙船を設計し、搭載電源、撮影装置、通信機器、光子推進装置を内蔵すること。
• 深宇宙から地球への高帯域幅のデータ送信を実現するため、光通信を導入すること。
• 光子の運動量移動を利用して、搭載燃料を必要とせずに高い加速度を達成すること。
• スケーラブルなレーザー配列技術を活用し、0.25c以上の速度に加速可能なパラメータを達成すること。
• 高精度な材料とミニチュア化電子部品を統合し、高速度下での構造的整合性と機能を確保すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 指向性エネルギー推進により、人間の生涯にわたる時間枠内で恒星間飛行に必要な相対論的速さ（≥0.25c）に到達可能な宇宙船を実現できるか？
• RQ2 グラムスケールのプローブを恒星間速度に加速できるスケーラブルなレーザー配列システムを開発するにあたり、技術的・工学的課題は何か？
• RQ3 完全に統合されたミニチュア化された宇宙船（ウェーパーサット）は、恒星間飛行中においても機能性と通信能力を維持できるか？
• RQ4 現在の推進技術および材料技術の性能限界は、このようなミッションを実現するためにどの程度の制限をもたらすか？
• RQ5 段階的で段階的な開発アプローチにより、特許技術を必要とせずに恒星間飛行の実現可能なロードマップを構築できるか？

主な発見

• 地上のレーザー配列を用いた指向性エネルギー推進により、グラムスケールの宇宙船を0.25cを超える速度に加速可能であり、最近隣の星への到着が約20年で実現可能である。
• 提案されたシステムにより、1gから100,000kg（100トン）までの質量のペイロードを発射可能であり、1,000km/sを超える速度に到達可能である。
• ウェーパーサットは、統合された光通信、撮影システム、電源、光子推進装置を装備可能であり、自律運用とデータ送信が可能である。
• このロードマップは、スケーラブルなレーザー配列と高度なマイクロエレクトロニクスを含む、現在の技術または近い将来の技術に依拠しており、技術的に実現可能である。
• この手法は恒星間ミッションにとどまらず、太陽系内およびその外縁における多様な深宇宙探査を可能にする。
• 本研究では、従来の化学的推進から指向性エネルギー推進への移行が、現在の工学的能力の範囲内で必要かつ実現可能であることを示している。