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セドナへのミッションの実現可能性調査 – 核推進と太陽帆

328日前原文(arxiv.org)

概要

本記事は、太陽系外縁天体Sednaへの探査ミッションにおける先端推進技術の比較検討を行う。 Direct Fusion Drive（DFD）と熱脱離型ソーラーセイルの2方式を評価対象とする。 DFDは軌道投入、ソーラーセイルはフライバイを想定。 主要なミッション設計パラメータと科学的成果の見込みも分析。 今後の深宇宙探査ミッション計画への基礎情報提供を目的とする。

Sedna探査ミッションにおける先端推進技術の比較

  • 太陽系外縁天体Sedna への探査ミッション検討
  • Direct Fusion Drive（DFD） 方式と 熱脱離型ソーラーセイル 方式を比較
  • DFD は D-$^{3}$He熱核融合 を利用したロケットエンジン
    • 1.6MW出力、定常推力・比推力 を想定
    • 軌道投入 が可能
  • ソーラーセイル は コーティング材の熱脱離 による推進を利用
    • Jupiter重力アシスト を組み合わせたフライバイ
    • 加速・巡航・遭遇 の各フェーズで性能評価
  • 主要評価項目
    • 搭載可能ペイロード容量
    • 移動所要時間
    • 科学的成果の見込み
    • 電力供給・通信制約
  • Sednaの近日点通過 は 2075-2076年 に予測
    • その後は太陽から再び遠ざかる軌道
    • 従来推進システムでは最大30年 の長期航行が必要
  • DFDの場合
    • 約1.5年の推力運転で10年程度 で到達可能
  • ソーラーセイルの場合
    • Jupiterアシスト利用で7年程度 で到達可能
  • 科学ペイロード搭載性・電力・通信の可否 も評価対象
  • 今後の深宇宙探査計画 の比較検討基盤となる知見

ミッション設計の主要フェーズ

  • 出発フェーズ
    • 地球からの離脱・初期加速
  • 惑星間加速フェーズ
    • DFDによる持続推力、またはソーラーセイルの熱脱離加速
  • 惑星間巡航フェーズ
    • 慣性航行による長距離移動
  • 遭遇・ランデブーフェーズ
    • DFDは軌道投入、ソーラーセイルはフライバイで近接観測

今後の展望と課題

  • DFDや熱脱離型ソーラーセイル は、従来比で大幅なミッション期間短縮を実現
  • 科学ペイロードの大容量化 や 遠距離通信 の実現性が、今後の技術開発課題
  • 打ち上げタイミング の最適化が、Sedna探査成功の鍵
  • 深宇宙探査ミッション設計 の新たな選択肢として、今後の研究進展に期待

Hackerたちの意見

セドナは2075年から2076年にかけて軌道の近日点を通過し、その後再び太陽から離れていくと予想されています。距離を考えると、対象を狙ったミッションは「比較的」早めに打ち上げる必要があります。特に従来の推進システムを使う場合、深宇宙旅行には最大30年かかる可能性があります。セドナの近日点は約76AUで、冥王星の2倍以上の距離です。冥王星に到達するのにニュー・ホライズンズは約10年かかりました。セドナの遠日点は500AUを超えています。 > ダイレクトフュージョンドライブロケットエンジンがプリンストン大学プラズマ物理学研究所で開発中です。実際に機能してるの？どのくらい進んでるの？来年に実用化できたとしても、10年間宇宙に送り出しても大丈夫なほど信頼性があるのかな？

└

これは、フィールドリバース構成の回転磁場駆動（RMF）に基づいたスキームです。彼らの主張は、3Heイオンを優先的に加速し、エネルギーを回収できるというもので、DD融合とそれに伴う中性子を大幅に減少させるとのことです。回収の部分には疑問があります（イオン同士の衝突で導入されるエントロピーはどうやって取り除くの？）。でも、主張を完全に評価する専門知識はありません。いずれにせよ、来年には絶対に準備できないでしょうし、大量の3Heが必要になります。

└

イギリスの会社、パルサーフュージョンもデュアルダイレクトフュージョンドライブ（DDFD）を開発中です。彼らはこう主張しています： > モデリングによると、この技術は約1000kg（2200ポンド）の質量を持つ宇宙船を4年で冥王星まで推進できる可能性があります。彼らは2027年に軌道テストを目指しているようです。もしこれが2030年にずれ込んだとしても、2040年に商業利用可能になれば、セドナの近日点とのランデブーには十分な時間があると思います。

└

どのくらい進んでるの？あまり進んでいないよ。ただ、DFDは素晴らしいムーンショットの可能性を秘めた技術です。融合推進は、地球での融合発電よりも本質的に簡単です。熱を電気に変換する心配がなく、ブレークイーブンの閾値もずっと低いからです。ミッションによっては、Q < 1でも大丈夫な場合があります。

└

残念なことに、NASAの核推進は積極的に切り捨てられそうで、人類はより進んだ国々にその研究を頼ることになるんだろうね。これって化石燃料ロビーの仕業なのかな？

└

75-76年で最接近するんだね。2100年にはどれくらい離れているんだろう？その軌道のサイズを考えると、打ち上げ日には余裕がありそうだね。

└

V-2ロケットがカーマンラインを越えてから、人間が月に歩くまでに約15年かかったんだ。今から15年後には、10年の休憩を挟んで、2075-2076年に到達するための10年ミッションを打ち上げる必要があるよね。本当に重要なのは「このエンジンとミッションを次の40年で完成させるための資金が実際にあるのか」ということだよ。

https://en.m.wikipedia.org/wiki/Sedna_(dwarf_planet)

└

半径が約1000kmであることは分かっていますが、興味深いことに、フライバイや他の重力相互作用なしには質量を特定する方法がありません。月の密度を使って推定することはできると思いますが、それだと約10^22kgになります。 https://www.wolframalpha.com/input?i=4.189%C3%9710%5E9+km%5E...

このダイレクトフュージョンドライブは本当に面白いコンセプトですね。こんな感じの技術が1世紀（または5世紀）後の星間旅行に使えるかもしれません。活発な研究が行われているのはとても励みになります。推力が約5kgというのは少ないですが、時間が経てば…これは、以前は他の星に行くための唯一の実現可能なアプローチだと思っていた核パルス推進（「プロジェクトオリオン」スタイル）よりも、かなり現実的に思えます。論文から私が理解できなかったことの一つは、フュージョンドライブがD/He3融合をD/Dよりも「選ぶ」方法です。プラズマ温度を上げることで「強制」できるのでしょうか？それとも、やっぱりD/D融合からの中性子に対処しなければならないのでしょうか？

└

レーザー推進の光帆を使った往復星間旅行 https://ia800108.us.archive.org/view_archive.php?archive=/24...

└

アニュートロニック反応を優先する一番簡単な方法（多分実用的な唯一の方法）は、ヘリウムが豊富な混合気を使うことだよ。ただ、その代わりに出力密度は低くなるけどね。

└

これは、他の星に行くための唯一の実現可能なアプローチだと思っていた核パルス推進（「プロジェクト・オリオン」スタイル）よりもかなり実現可能に聞こえるね。今でもプロジェクト・オリオンには夢中なんだ、愛さずにはいられないよ。 * 50年前には実現可能だったけど、今から50年後には無理だね。 * 超軽量の未来的な材料はなし、鋼鉄がたくさん必要だよ。 * 本当に、たくさんね。戦艦を火星に、 * あるいは木星に、 * それともアルファ・ケンタウリに打ち上げよう。 * みんなが持ってる核爆弾を使うより、ずっといいことができるよ。

└

プロジェクト・オリオンは、僕の青春の約束だったよ[70/80年代]。それは、かつての宇宙探査を特徴づけていた技術的な勇気と哲学的な楽観主義を語っているね — その勢いがどうやって失われてしまったのか。技術的には実現可能だったと聞いている。でも…もちろん「爆弾の影」があったからね。大胆で、ほとんど無謀な実験（マーキュリー、ジェミニ、初期のアポロ）から、安全最適化やコスト制約のあるエンジニアリングにシフトしていったんだ。そしてコストと政治もあった。アポロ以降の世界は太陽系を植民地化したいわけじゃなくて、低軌道と安全な帰還を望んでいたんだ。予算もそれに従った。ちょっと悲しいね。

比較的早く DFDがそこに到達するのに10年かかるとしたら、40年後に打ち上げる必要があるってことだね。かなり長いスケジュールだよ。こんな長期プロジェクトの予算を立て続ける組織があるなんて、すごいことだね。

すでに軌道にあるのはOTP-2で、2つの新しい推進システムを搭載しているよ。一つは非ニュートン推進装置に基づいていて、もう一つはIONドライブだ。[1] 編集: 後者は「融合強化型」だよ。[3] この会社のファイアスタードライブは、水を燃料としたパルスプラズマスラスタで、アニュートロニック核融合の一形態を使って性能を向上させているんだ。軌道観測を注意深く見守って、高度が上がっているかどうかを確認しているよ。[2] これは彼らの2番目の衛星で、最初のは高電圧電源の問題があったから、スラスタを試すことができなかったんだ。[1] https://www.nanosats.eu/sat/otp-2 [2] https://celestrak.org/NORAD/elements/graph-orbit-data.php?CA... [3] https://www.aerospacetestinginternational.com/news/space/roc...

└

すでに地球の周りに軌道を持っているんだよ、特にね。セドナじゃないよ。

└

*IVO – クォンタムドライブ推進装置 - *IVOクォンタムドライブの目的は、LEO環境でシステムをテストし、推進剤なしで独自の量子技術を使って推力を提供する能力を確認することです。推定推力：1.75mN。

過去の核（核分裂）に関する取り組みについての言及が全くないのに驚いたよ。例えば、4000メガワットでのPheobus 2Aの長時間テスト（12.5分以上）とかね。[1] https://en.wikipedia.org/wiki/Project_Rover#Phoebus もしかしたら、液体水素の代わりに使える固体燃料や非冷却液体燃料があって、核分裂ベースのシステムが近い将来にもっと実現可能になるかもしれないね。

└

水素は、核熱ロケットにとって唯一理にかなった推進剤だね。核反応炉は化学ロケットエンジンよりもかなり高温や高圧にはできないから、高い比推力（要するに効率）の理由は、推進剤を加熱するのに化学エネルギーが必要ないからなんだ。だから、100%の推力が低分子量の推進剤（水素など）から得られるんだよ。ヘリウムも化学ロケットよりは性能が良いけど、水素にはかなわないし、さらに冷却が必要だしね。ヘリウムより重いものは、化学ロケットに対してほとんど利点がないし、ひどい推力対重量比や極端な工学的課題を正当化する理由はないよ。

Kerbal Space Programの経験から言うと、この物体は太陽軌道からほとんど押し出されているように見えるね。「小さい」サイズを考えると、太陽系から押し出すのにどれくらいのエネルギーが必要なんだろう？

└

現在の我々の種には無理だし、近い未来でも無理そう。脱出するには平均軌道速度に加えて約1km/sが必要だけど、質量はおそらく10^22kgくらいだから、10^28ジュールってことになる。これは、我々が作った最大の核爆弾の何十億倍にもなるよ。

なんで数百や数千の小さなメッシュプローブをキャノンで数ヶ月や数年かけて発射しないの？大きなメッシュネットワークがあれば、強力である必要はないし、各プローブは携帯電話と同じくらいのコストで済むはずだよ。

└

新しい地平線が約2400 bpsでデータを送信するために必要だったアンテナのサイズ、パスロス、リンクバジェット、変調、FECをチェックしてみて。小さなキューブサットサイズのものは、地球に有用なデータを感知することは無理だよ。

└

なんで数百や数千の小さなメッシュプローブをキャノンで数ヶ月や数年かけて発射しないの？その文の中の「ただ」って、すごく重要な役割を果たしてるよね！

└

大砲の話であって、公式なテキスト（聖書の正典とか、スター・ウォーズの正典）ではないよ。大砲から宇宙探査機を発射することはないし、大気圏を抜けられないからね。[1]によると、大砲の初速は約1685フィート/秒、つまり0.51 km/sだって。軌道に達するためのデルタVは約10 km/s。これは特徴的なことなんだけど、大砲の弾を軌道に乗せるってことは、目標には当たらないってことだよね。でも、もし20倍も強力な推進剤があると仮定しよう。大砲は最初に全エネルギーを与えて、膨張したガスが弾をチューブから押し出すことで加速する。探査機が初期の爆発に耐えられたとして（可能性は低いけど）、すぐに10 km/sに加速するだろう。[2]の計算では、大砲の弾にかかるGは15Gだったけど、保守的に10Gとしよう。だから、20倍の加速が必要で、200Gだね。たとえ探査機が加速で潰れなかったとしても、機能する可能性は低いよ。（大砲と比べて、ロケットは長時間にわたって加速を提供することでこの問題を回避していることに注意）もし200Gに耐えられるように設計できたとしても、空気抵抗で燃えちゃうだろうね。宇宙船が降下する際、上昇中に得た速度を全て失わなきゃいけないから、燃え尽きる傾向があるのは分かってるし。熱シールドはほぼ確実に重量制限を超えるだろうね。何？これが宇宙大砲？まあ、酸素なしで推進剤を燃やす方法は置いといて、LEOから冥王星までのデルタVは8.2 km/sだから、セドナはもう少し多くなるだろうね。これでも大砲のオーダーオブマグニチュードで大きく、加速の問題も残る。さらに、ペイロードを大砲まで運ぶためにロケットを使わなきゃいけないから、ロケットに第二段をつけることになる。そこに到達するのに数十年かかる問題は解決してないし、これがこの論文が取り組もうとしていることなんだ。

宇宙探査のファンなんだけど、これはちょっと無理がある気がする。まず、この推進技術がミッションに使えるレベルだとは言えないよね。全部がかなりの推測に過ぎないし、実際のテストも全然行われてない。少なくとも軌道上でテスト発射して、特にソーラーセイルの証明が必要だよ。核推進なんて新たな証明のレベルが加わるし（RTGは存在するけど、あれは放射性崩壊を利用してるだけで、核分裂や核融合を使ってるわけじゃないからね）。次に、どのくらいの速度に達するかも不明だし。ニューホライズンズの速度で、適切な打ち上げウィンドウを見つけたとしても、18～25年の移動時間がかかる。探査機がそんなに長生きできるとは思えないよ。もしソーラーセイルを採用したら、20年以上の間にどうなるんだろう？塵や微小隕石に当たることでの長期的なダメージは？不均一な推力が出たら、コース修正が必要になるかも。これが全て…フライバイのために？明らかにセドナは遠すぎて、他のことには使えないよね。冥王星と同じで。でも、30年くらいのミッションを考えるなら、むしろ天王星に軌道衛星を送った方がいいと思う。天王星への軌道投入には約20年かかるんじゃないかな。確か、海王星は30年近くかかるはず。

Centauri Dreams（https://www.centauri-dreams.org/）には良い要約があるよ（こういう内容の定期的なものもね）。