[論文レビュー] A mission architecture to reach and operate at the focal region of the solar gravitational lens

Henry Helvajian, Alan Rosenthal+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2022

Spacecraft Design and Technology被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、太陽 sail による加速を用いたナノサテライトを用いて、548 AU を超える太陽重力レンズ（SGL）焦点領域に到達・運用する実現可能なミッションアーキテクチャを提案する。この手法により、既存または近い将来の技術を用いて、メートル級の望遠鏡を用いて高分解能の系外惑星イメージングが可能となり、表面分解能は数十kmに達し、複数画素のイメージングおよび分光法による生命可能性の兆候の検出が可能となる。

ABSTRACT

We present initial results of an ongoing engineering study on the feasibility of a space mission to the focal region of the solar gravitational lens (SGL). The mission goal is to conduct exoplanet imaging operations at heliocentric distances in the range ~548-900 astronomical units (AU). Starting at 548 AU from the Sun, light from an exoplanet located behind the Sun is greatly amplified by the SGL. The objective is to capture this light and use it for multipixel imaging of an exoplanet up to 100 light years distant. Using a meter-class telescope one can produce images of the exoplanet with a surface resolution measured in tens of kilometers and to identify signs of habitability. The data are acquired pixel-by-pixel while moving an imaging spacecraft within the image. Given the long duration of the mission, decades to 900 AU, we address an architecture for the fastest possible transit time while reducing mission risk and overall cost. The mission architecture implements solar sailing technologies and in-space aggregation of modularized functional units to form mission capable spacecraft. The study reveals elements of such a challenging mission, but it is nevertheless found to be feasible with technologies that are either extant or in active development.

研究の動機と目的

• 高度な推進技術とモジュラー宇宙船を用いて、548–900 AU の SGL 焦点領域への高速で低コストの軌道移行を可能にするミッションアーキテクチャの設計。
• SGL 焦点部に配置されたメートル級望遠鏡を用いて、最大100光年離れた系外惑星を、数十kmの表面分解能で複数画素のイメージングを実現する。
• 宇宙空間でのモジュラーで大量生産可能なナノサットの集合を活用し、技術的成熟度の高い技術を統合することで、ミッションリスクとコストを低減する。
• 650 AU を超える深宇宙での長期間運用の実現可能性を示し、放射線耐性のある電子回路と分散型電力システムを用いる。
• 太陽の重力レンズ効果を用いて、生命可能性を有する可能性のある系外惑星の直接分光法およびイメージングを可能とし、宇宙探査ミッションと同等の科学的成果を提供する。

提案手法

• 太陽 sail を用いて、近日点通過による最大加速を活用し、548–900 AU の SGL 焦点領域への高速軌道移行を実現する。
• 到着地点で、太陽 sail を除いたナノサット同士の宇宙空間内自己集合を実施し、運用可能な宇宙船を形成する。
• 太陽光を遮断する内部コロラグラフを備えたメートル級の光学望遠鏡を展開し、増幅された系外惑星信号を捕捉する。
• システム設計、放射線耐性、電力分配の最適化を図るため、並行工学手法（CEM）を採用する。
• 広帯域ギャップ半導体（例：窒化ガリウム）およびナノスケールの真空チャネルトランジスタを用いた放射線耐性の高い電子回路を統合する。
• 小型化された放射性同素体電源（RPS）とエッジコンピューティングプラットフォームを用いて、自律的運用を実現する分散型電力供給を実装する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 既存または近い将来の技術を用いて、太陽 sail に基づくミッションアーキテクチャが、現実的な時間内に SGL 焦点領域に到達可能か？
• RQ2 650 AU を超える領域で、ナノサットの宇宙空間内自己集合が運用可能な宇宙船を形成可能か？
• RQ3 放射線耐性のある電子回路と小型化された RPS ユニットが、深宇宙環境で数十年にわたって信頼性を維持できるか？
• RQ4 SGL 焦点部に配置されたメートル級望遠鏡を用いた系外惑星イメージングで、どの程度の表面分解能と信号対雑音比（SNR）が達成可能か？
• RQ5 SGL 焦点領域が、最大100光年離れた系外惑星に対して複数画素のイメージングおよび分光法を可能とし、生命可能性の兆候を検出可能か？

主な発見

• 太陽 sail、モジュラーなナノサット、放射線耐性のある電子回路といった技術は、いずれも既存または活発に開発中の技術であり、ミッションアーキテクチャは実現可能である。
• 太陽 sail 推進を用いることで、548–900 AU の SGL 焦点領域への到達が数十年のスケールで達成可能であり、650 AU までの最小推進時間は約15年である。
• SGL 焦点部に配置されたメートル級望遠鏡は、1 μm 波長で理論的角分解能 0.2 ナノアーキセonds を達成でき、系外惑星の表面分解能は数十kmに達する。
• 1 μm 波長で SGL は最大 2.11×10^11 倍の明るさ増幅効果を示し、微弱な系外惑星標的の信号収集を顕著に向上させる。
• 遮蔽、冗長性、設計段階での耐性強化、広帯域ギャップ半導体（例：窒化ガリウム）およびナノスケールの真空トランジスタの使用により、放射線効果は管理可能である。
• 本ミッションにより、最大100光年離れた系外惑星に対して直接の複数画素イメージングおよび分光法が可能となり、地表の特徴や大気組成といった生命可能性の兆候の検出が可能となる。