地上最大の光学望遠鏡「マゼラン望遠鏡」の建設に立ちはだかる“強風” 航空宇宙企業「ボーイング」に白羽の矢

 

 完成すれば地上最大の望遠鏡となる「巨大マゼラン望遠鏡」。その建設に力を貸している意外な企業が、航空宇宙企業のボーイングだ。同社は航空力学に対する知見を、いかに巨大望遠鏡の建設に応用しようというのか。

2022年に完成すれば、地上最大の望遠鏡となる巨大マゼラン望遠鏡(完成予想図)。だがその大きさゆえ、強風が難題として立ちはだかる。IMAGE COURTESY OF GIANT MAGELLAN TELESCOPE

南米チリの高地にあるアタカマ砂漠は、天体観測にうってつけの場所だ。乾燥した空気と、居住者がほとんどいない環境は魅力的であある。このためヨーロッパ南天天文台、カーネギー研究所、そしてチャナントール天文台は、この地域の山頂付近に複数の望遠鏡を設置している。

ただ、砂漠の風が問題になる。壮大だが繊細で精密な機器を囲う格納ドームとその周囲を、すさまじい風が吹き荒れるのだ。これまで天文台はそうした問題に、乱気流のなかでも鏡を安定させる重い架台と頑強な構造で対抗してきた。しかし、力づくで踏ん張るエンジニアリングには限界がある。

2022年に完成すると地上最大の光学望遠鏡となる巨大マゼラン望遠鏡(GMT)[日本語版記事]の場合、建設に携わったエンジニアたちは設計を始めた段階で、おおよそのことは予想していた。カーネギー研究所が所有し運用するラスカンパナス天文台への設置が完了すれば、GMTが備える7つの鏡の合成有効口径は約25mに達する。それは、ハッブル宇宙望遠鏡の10倍に匹敵する分解能を発揮するのに十分な大きさだが、そよ風の影響すら受けてしまう大きさでもある。

「建物は前代未聞の大きさであり、地上から最高地点までの高さは22階建てのビルに相当します。容量はさらに大きく、かなり多くの空気が内部に存在します」と語るのは、巨大マゼラン望遠鏡機構(GMTO)の運用部門を率いるパトリック・マッカーシーだ。「巨大な望遠鏡なので画質への期待も膨らむ一方、建物が大きくなるにつれて影響を受ける外因も増えるのです」

そのなかには風による振動はもちろん、ドーム内部の熱特性も含まれる。熱特性には鏡の温度と、日中ずっと太陽光を浴び続けて温まった金属による放射熱がある。そしてそのどちらも、対流する空気の影響も受ける。「こうした要素を考慮に入れるには、その分野の専門家に頼る必要がありました」とマッカーシーは述べる。

そこで天文学者たちは、ボーイングに白羽の矢を立てた。巨大天文台という型破りな建物の周辺気流を扱う上で、最適な経験と技術を持ち合わせる航空宇宙企業だ。巨大マゼラン望遠鏡機構は15年、ボーイングと提携関係を結んだのである。

■分野を超えたテクノロジーの活用

スキルとテクノロジーは、軍事、科学、そして民生部門という分野を超えてきた長い歴史がある。分野の越境は、利益を受ける顧客だけでなく、企業自身にも恩恵をもたらす。違う分野に挑戦することは、自社の技量に磨きをかけるチャンスでもあるからだ。

天文学者らを支援しているボーイングのR&D部門で上級マネジャーを務めるビル・ノービーは、「もっているツールセットの使い方を変えてみると、ちょうどクロストレーニングのような感じで、筋肉を異なるかたちで鍛えられるのです」と語る。「当社の戦略を普通ではないかたちで用いることで、より深く学び、強さと多様性を身につけられます」。そうした分析的作業は、将来的にはロケットを発射台に設置するボーイングの手法や、米国防総省に提供する地上設置型光学システムの設計にも影響を与える可能性がある。

技術分野の垣根を超えることは、ボーイングとともに米国防総省と契約を結ぶライヴァル企業のロッキード・マーティンにとっても別におかしな話ではない。ロッキードは軍用輸送機「C-130J」のプロペラをベースに、発電用水中タービンを開発した。PHOTOGRAPH COURTESY OF LOCKHEED MARTIN

米国防総省と契約を結ぶボーイングのライヴァル企業はそれぞれ、独自に異分野との交流プログラムをもっている。ロッキード・マーティンの技術者らは、「F-35」戦闘機向けに開発した耐熱性プラスチックを通信衛星の部品に転用した。さらに、軍用輸送機「C-130J」のプロペラをベースにして、発電用水中タービンを開発している。

また、ロケットおよび衛星分野で事業を行うスペースデヴ(SpaceDev)との協業では、宇宙飛行士と物資を低軌道衛星や国際宇宙ステーションに運ぶために開発中の新型宇宙船「ドリームチェイサー」に、これまで以上に多くの戦闘機用エンジン技術が採用されている。

ロッキードの最高技術責任者(CTO)であるケオキ・ジャクソンは、次のように語る。「最終的にわれわれは、自社のさまざまなアイデアを多様な製品に移植し、新しい何かをつくり出したいと考えています。GPSを例にとれば、それは当社の軍事プログラムでしたが、いまでは文字通り数十億人の人々が、毎日のように手にしています」

ノウハウは、常に軍用から民生用へもたらされるとは限らない。ロッキードは最近手がけたプロジェクトのなかで、アメリカ合衆国郵政公社(USPS)向けに開発された手書き文字認識アルゴリズムを、ヘリコプターに搭載されるシステムへ移植した。水面下にある潜水艦の潜望鏡を検知するためのシステムだ。それ以外にも、こうした取り組みは幅広い分野で確認されており、しかも当たり前のように思えるほど急速に浸透してきている。

軍用ハードウェアから戦闘用ネットワークに接続する大規模コンピューターシステムに至るまで、幅広く事業を展開するレイセオンは、自社のサイバーセキュリティ技術を民間部門に転用し始めた。同社の最高経営責任者(CEO)であるトム・ケネディは、次のように語る。

「当社は数多くの軍事システムを堅牢にしてきました。この技術は、自律走行車向け車両間通信の実現にも向いています。車両間通信ネットワークは、どうやって保護されるべきでしょうか? 当社では、ネットワークの分析に人工知能を採り入れており、問題があれば解決のためにそれを隔離します。この分野における当社の次のステップは、自動車業界を大いに助けられるでしょう」

■いかにして風を分析したのか

巨大望遠鏡を支援するボーイングの取り組みは、基礎的なことから始まった。マッカーシーは、「ボーイングは開口一番、『本当にふさわしい場所に建設しているのですか?』と尋ねてきました」と振り返る。望遠鏡は山頂に設置されるのだから、特定のポジショニングなど大して問題にならないと考えるかもしれないが、実は大問題だった。

「山頂に」という設定ではアバウトすぎて、航空力学の微妙さとマッチしないことが判明したのだ。ボーイングのノービーは次のように説明する。「航空力学的に考えると、気流という点では、特定のエリアがより優れた特性を備えていました。彼らは最終的に、格納ドームの建設場所を変更することになったのです」

暖かい、または冷たい空気の流れが引き起こす熱や振動の影響に対して、望遠鏡の格納ドームが最適化されていることを確かめる作業では、計算流体力学を使うことに主眼が置かれた。作業チームは水中につくった風洞のような回流水槽の中で試験を行ったのだ。

そこで着色された水を流水に注入し、3Dプリンターでつくった建設予定地のレプリカの周囲をどのように流れるのか調べた。そして、満足する結果が得られるまで予測モデルの微調整を続けたのである。

こうしたすべての取り組みは、長期的に運用する際に必要となってくる判断を下すのにも役立つだろう。マッカーシーは、「熱と振動の両方の問題に対して最適な判断を下すデータを、ボーイングはわたしたちに提供してくれています。そのデータは、こうした要素に関して格納ドームをどう微調整すればいいのかという手引きとなるだけでなく、実際に稼働している排気システムを、状況が変化した際にどう制御すればいいのか判断するガイドにもなります」と説明する。

「排気システムは、ある特定の状態に対して最適化されていても、風や角度や望遠鏡が変化した場合を想定してはいない可能性があります。わたしたちはそうしたときに、望遠鏡の運用スタッフを手助けできるデータベースを手にできるのです。これは10億ドル規模のプロジェクトです。確証のない推測などしたくありません。わたしたちは系統的なアプローチをとりたいのです」

軍需産業の企業が、自社製品をできる限り多くの市場に活用しようとすることには、何の不思議もない。実際いくつかの企業は、こうした独自の拡張的発想を主力事業に採り入れている。ロッキードは、自社内の各事業間でブレインストーミングや人材シェアリングを推進するための評議会や協力体制を立ち上げ、可能な限り多様な潜在的顧客の獲得に向けた革新促進を目指している。

厳しい規制下にあると思われる軍用技術でさえ、応用可能性が検討されている。もちろん対象となるのは中核技術そのものではなく、慎重に扱うべき応用技術だ。例えばロッキードは、同時に多数打ち上げられる科学探査用小型人工衛星「キューブサット」に、兵器用照準システムのセンサーを搭載している。

また、12年に発生したハリケーン「サンディー」が北米東海岸に甚大な被害を残したことを受け、ロッキードの技術者たちは軍事用センサー技術を転用し、「ARIES(Automated Rapid Infrastructure Evaluation System=自動高速インフラ評価システム)」を開発した。大災害時のインフラ損害状況を、LiDARと視覚イメージを併用して評価するものだ。

ときには単なる収益を超えた恩恵を受けられることもある。テクノロジーの垣根を超えることは、企業に新たな事業分野や可能性をもたらすが、働くスタッフにも同じことがいえるのだ。ボーイング・リサーチ・アンド・テクノロジーのエンジニアとしてマゼラン望遠鏡プロジェクトに参加したアブディ・コダドゥストは、新しい趣味を見つけた。「15年、わたしはチリの天文台を初めて訪問しました。山頂で過ごした時間は楽しく、それ以来わたしは天文学について少なからず興味をもつようになったのです」