太陽に接近するNASAの探査機は、こうして溶けずに高温に耐える

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太陽への接近を目指す米航空宇宙局(NASA)の探査機「パーカー・ソーラー・プローブ」が、日本時間の8月12日夕方にも打ち上げられる。超高温の太陽へと突入する探査機は、いかに溶けずにミッションを達成できるのか? その秘密に迫った。

TEXT BY MEGAN MOLTENI

WIRED(US)

VIDEO COURTESY OF BRIAN MONROE/NASA GSFC/CIL

米航空宇宙局(NASA)の探査機「パーカー・ソーラー・プローブ」が、まもなく打ち上げられる。その任務とは、太陽系の中心にある火の玉である太陽に、これまでのどの人工的な物体よりも近づき、ガスで燃えさかるなかへと突き進んでいくことにある。

地球から最も近い恒星であるにも関わらず、その過酷な環境ゆえに太陽は研究者たちを近づけないできた。いくつかの特異な現象は、いまだに謎のままである。

例えば、なぜ太陽の大気層は、プラズマからなる表面と比べて数百倍も熱いのか。また、いかに太陽風(太陽から吹き出すプラズマの流れ)が生み出され、太陽系からずっと遠くにまで超音速で届くのか、といったことである。パーカーは7年間の歴史的な任務の間に、こうした長年の謎を解き明かすために役立つデータを集めてくる予定だ。

太陽への最初の接近は11月に予定されている。集められたデータは、太陽のフレアの発生や宇宙の天気の突発的な変化を予知するモデルを構築するために使われる。これらは衛星に不具合を起こし、国際宇宙ステーションの宇宙飛行士たちを危険に晒し、そして地球上の電力系統を破壊する可能性があるからだ。

測定結果を得ることは簡単ではない。パーカーは太陽の表面から400万マイル(約644万km)以内に近づかねばならない。つまり、太陽の焼けつくような明るさに晒されながら、温度が50万℃度以上にもなるなかを飛行することになる。そのなかでもこの小さな探査機は、次のような仕組みによって溶けずにいられるようになっている。

1.太陽の熱を防ぐシールド

パーカーによる太陽への接近は、20回以上も予定されている。その実現の鍵となるのが、ディスク状の耐熱シールドだ。幅が8フィート(約2.4m)で厚さが4.5インチ(約11.4cm)あり、これによって太陽の熱から探査機を守る。

このシールドは、超軽量の断熱カーボンフォームを2枚の硬いカーボンファイバーのプレートで挟んだ構造をしている。このカーボンフォームは、花屋が花をアレンジするときに使う緑色のスポンジに似ているが、実際は炭素なので黒い色をしている。仮に片側のプレートに火炎を噴射しても、もう片方は手で触れるくらいに冷たいままだろう。

このプレートは、ジョンズ・ホプキンズ大学の応用物理学研究所(APL)に所属するエンジニアによって設計され、炭素複合材料のメーカーであるCarbon-Carbon Advanced Technologies(C-CAT)で組み立てられた。

太陽と向かい合う面には、ホワイトセラミックをコーティングしてある。太陽のコロナの表面温度は100万℃以上あるとされる。だが、そこに向かっていく物体にすべての熱が伝わるわけではない。なぜなら、高速で高温の粒子が少なく、その密度が非常に低いからである。とはいえ直に晒されることが脅威であることには変わりない。シールドの太陽に向いているほうは、表面温度が約1,370℃にもなる。

「プレート表面のコーティングによる反射によって、太陽からの照射を退ける能力が2倍になるのです」と、ジョンズ・ホプキンズ大学のAPLでパーカー探査機のシステムエンジニアを務めるジム・キニソンは語る。それ以外は探査機の周囲へと流されていく。こうしてシールドの太陽に面した側が1,370℃になっても、その裏側は300℃程度に保たれる。厚さわずか4.5インチ(約11.4cm)のシールドによって、温度は1,000℃も違ってくるのだ。

シールドに隠された探査機の内部は、たった30℃くらいにしかならない。「前にも宇宙に飛ばしたことのある計測機器を使えるように、そう設計したのです。このため、さらに熱い環境でも使えるように再設計する必要はありませんでした」と、キニソンは語る。

これらの計測機器には、「IS?IS」と呼ばれる装置が搭載されている。真ん中に太陽を示す記号の「?」が入っているのは、イスラム過激派組織の名称と区別するためだ。これはエネルギーをもつ粒子がどこから来て、太陽からどうやって加速しているのかを計測し、理解するために使われる。

また、「WISPR」と呼ばれる装置もある。これはコロナ質量放出や、太陽の表面で起きる爆発現象などを撮影するためのものだ。これによって科学者たちは、探査機が測定したデータと実際に太陽の大気で起きている現象とを結びつけて理解できるようになる。

だが、すべての測定がシールドの背後で行われているわけではない。

2.超高温に耐えるレアメタル素材

コロナの動的な電磁場をとらえるには5本の長いアンテナが必要で、そのうちの4本は太陽にさらされている。それらは「FIELDS」と呼ばれるもので、NASAがロケットのエンジンにも使うニオブというレアメタルによって薄い管状につくられている。

さらに「SWEAP(Solar Wind Electrons Alphas and Protons)」という別の計測機器もあり、これが太陽風に大量に含まれる粒子の速度、密度、温度を測定する。それにはまず、ファラデーカップと呼ばれる特殊なセンサーで粒子を捕捉する必要がある。

「考え方は非常にシンプルなんです」と、キニソンは言う。ファラデーカップは宇宙でのミッションではよく使われるが、「ここでの違いは壮絶な熱環境なのです」。そこで熱に耐えられるファラデーカップをつくるためにエンジニアが選んだのが、融点が約2,350℃のチタンジルコニウムモリブデン合金をシート状にしたものだった。

計測機器は、カップを通るあらゆる電流を集める金属プレートにつながったいくつかの電気格子を備えている。この電気格子は3,000℃以上の熱に耐えるタングステンでつくられているため、線を刻むためにレーザーではなく酸を使っている。

またエンジニアたちは、探査機のコンピューターがファラデーカップから正確なデータを得られるようにするために、高温に耐えるケーブルを設計しなくてはならなかった。そのためにキニソンのチームはニオブでワイヤーをつくり、それをサファイアガラスの管に通した。

こうしてできたケーブルは、カップから耐熱シールドの裏にあるヒートボックスへと続き、そこから探査機のコンピューターへとつながっている。「弱い機器とそうでないものを分けるという発想ですね」と、キニソンは言う。

これらはほんの始まりにすぎない。太陽のコロナの影響下で、それぞれの材料がどのように動作するかを理解するのも、また挑戦なのだ。

スミソニアン天体物理観測所のSWEAPチームは、カップを真空チャンバーに入れて事前にテストしている。太陽の表面に近い高熱や強い光の下で、加速する粒子の測定能力がどのくらいあるのかを確かめるためだ。そのために使ったのは、eBayで買った4台のIMAXムーヴィープロジェクターだった。

3.自律飛行できるシステム

しかし、おそらく小さな探査機が直面するであろう最大の危機は、あらゆる科学的なプロセスのほとんどを地球にいる人間のサポートなしに実行しなければならないことだろう。ミッション期間中の多くの局面で、探査機は地球から見て太陽の裏側、衛星からの通信が届かないところにいる。耐熱シールドがあることで、通信が遮られることもある。

このためエンジニアは、あらゆる問題を検出し、すぐに探査機を正常に復帰させられるようなシステムを構築した。

例えば、耐熱シールドの陰になった部分の縁に沿って取り付けられている小さなセンサーである。それらは太陽の光を最初に検知するように配置されている。太陽光を検知すると探査機のコンピューターに知らせ、シールドがきちんと働くように飛行コースを自動で修正する。

「これまでにつくられた“宇宙船”のなかで、パーカーは最も自律飛行できるもののひとつです」と、キニソンは言う。「太陽に接近したのにデータを集める機会を逸してしまったら最悪ですから」

パーカーは11月に初めて太陽に近づく。今回のミッションでは最も太陽から遠い接近で、金星の重力を利用したスリングショットだ。これによって科学者たちは、年末までに低解像度なデータの一部を見られるようになる。「わたしたちの“食欲”を刺激するには十分です」と、NASAゴダード宇宙飛行センターの科学者であるアダム・スザボは期待する。

さらにあと何回かの接近だけで、太陽風が超音速で加速する物理学的な理論について誰が正しいのかを議論するうえで、研究者たちは十分な情報を得られることになる。誰も正しくなかったり、誰も思いもしなかったメカニズムであることも、同じようにあり得る。

「これは太陽系における最後の“秘境”のひとつだと言えます」と、スザボは言う。「本当に未知なる世界なのです」

探査機「パーカー・ソーラー・プローブ」が太陽に接近しても溶けない理由を解説したNASAの動画。VIDEO COURTESY OF NASA GODDARD SPACE FLIGHT CENTER

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