[論文レビュー] The Andromeda Study: A Femto-Spacecraft Mission to Alpha Centauri

Andreas M. Hein, K. F. Long+12 more|Lirias (KU Leuven)|Aug 11, 2017

Spacecraft Design and Technology参考文献 68被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、15GWの宇宙空間に設置されたレーザー配列を用いて、23gのフェムトスケールの探査機を0.1cまで加速させ、アルファ・セントauriへ50年間のフライバイミッションを実現するためのミッションを提案している。研究では、現在の技術を延長して応用することで、このようなミッションが実現可能であることを示しており、地球へのデータ送信および詳細なミッションアーキテクチャ設計が可能であることを示している。

ABSTRACT

This paper discusses the physics, engineering and mission architecture relating to a gram-sized interstellar probe propelled by a laser beam. The objectives are to design a fly-by mission to Alpha Centauri with a total mission duration of 50 years travelling at a cruise speed of 0.1c. Furthermore, optical data from the target star system is to be obtained and sent back to the Solar system. The main challenges of such a mission are presented and possible solutions proposed. The results show that by extrapolating from currently existing technology, such a mission would be feasible. The total mass of the proposed spacecraft is 23g and the space-based laser infrastructure has a beam power output of 15GW. Rurther exploration of the laser - spacecraft tradespace and associated technologies are necessary.

研究の動機と目的

• 50年以内にアルファ・セントauriに到達可能な1gスケールの宇宙探査機のための実現可能な恒星間ミッションアーキテクチャを設計すること。
• 超軽量探査機に対して、地上または宇宙空間に設置されたレーザー推進を用いて相対論的速さ（0.1c）を達成する挑戦に取り組むこと。
• ミニチュアで自律的な宇宙探査機を用いて、アルファ・セントauri系からの光学的データ収集と送信を可能にすること。
• 現在および近い将来の技術を用いたレーザー帆推進の技術的実現可能性を評価すること。
• 実現可能な恒星間フライバイミッションのための、レーザー出力、探査機質量、ミッション期間のトレードオフを調査すること。

提案手法

• 15GWの宇宙空間に設置されたレーザー配列を用いて、23gの探査機を0.1cまで加速させるレーザー帆推進システムを提案する。
• 軽量で反射性の高い帆素材を用いたフォトニクス帆設計を採用し、加速を最大化し、質量を最小限に抑える。
• データ収集と地球への送信を可能にするため、小型化された機器および通信システムを統合する。
• 加速段階および巡航段階における構造的整合性を保証するため、ミッション軌道と熱力学的ダイナミクスをモデル化する。
• 既存の推進および材料科学の原則をフェムトスケールにまで拡張して適用し、実現可能性を評価する。
• レーザー配列の展開、ナビゲーション、データ還送プロトコルを含むミッションアーキテクチャを検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の技術的延長を想定した場合、23gの探査機を15GWのレーザー配列によって0.1cまで加速させることは可能か？
• RQ2 相対論的速さに達した際に、帆の安定性と熱管理を維持する上で、主な工学的および物理学的課題は何か？
• RQ3 フェムトスケールの探査機を用いて、アルファ・セントauri系から十分なデータを収集し、地球に送信することは可能か？
• RQ4 実現可能な恒星間フライバイミッションの観点から、レーザー出力、帆の質量、ミッション期間の最適なバランスは何か？
• RQ5 このようなミッションを実現するために、克服すべき主要な技術的ギャップは何か？

主な発見

• 23gのフェムトスケール探査機は、15GWのレーザー配列を用いて0.1cまで加速可能であり、これによりアルファ・セントauriへの50年間のミッションが実現可能である。
• レーザー推進、材料科学、小型化電子機器分野の現在の技術を延長して応用することで、ミッションアーキテクチャは実現可能であると評価された。
• 熱管理と帆の安定性は、重要な課題とされているが、現在の工学的原則を用いれば管理可能であるとされた。
• 研究では、光学的データ収集と送信が、コンパクトで自律的な探査機システムによって実現可能であることを確認した。
• レーザー帆システムは、極めて少ない推進剤質量で高い加速を実現でき、相対論的速さでの恒星間飛行が現実的であることを示した。
• 性能を最適化しリスクを低減するため、さらなるレーザー-探査機のトレードオフ空間の調査が求められる。