宇宙船の未来：マイクロロケット科学

要約

次世代の宇宙船は、ポケットに入るようなマイクロスペースクラフトで構成されることがあります。これらの小型船は、遠くの星や惑星を探索するために高度な電子センサーを搭載し、宇宙に関する収集できるデータ量を指数関数的に増加させることができます。しかし、そのような小型船はどのように自己推進するのでしょうか？それには、表面張力や毛細管現象などの力を利用するマイクロプロペラントシステムが登場します。その代表例が、荷電粒子を放出して船を推進するマイクロ流体エレクトロスプレープロペラントです。

マイクロスペースクラフト：より小さく、より安価、より多目的

宇宙船と言えば、人々、燃料、科学機器、そして惑星を破壊するレーザーまで搭載できる巨大な船を想像することが一般的です。しかし、次世代の宇宙船は、より小型で多目的になる可能性があります。ポケットに入るようなマイクロスペースクラフトは、温度から宇宙線まであらゆるものを測定する高度な電子センサーを搭載して、遠くの星や惑星を探索することができます。これらのマイクロスペースクラフトを数千個展開することで、宇宙に関するデータ量が指数関数的に増加し、一つ一つが使い捨て可能であるため、高価なロケットやプローブにはリスクがある環境に送信することができます。

マイクロプロペラント：小規模物理学を活用する

そんな小さなものは大型のエンジンや大量の燃料を運ぶことができないため、そのような船はどのように自己推進するのでしょうか？非常に小さなスケールでは、物理学のいくつかのルールは適用されません。日常のニュートン力学が崩壊し、通常は無視される力が強力になります。マイクロプロペラントシステムは、これらの力を利用して船を動かします。その代表例が、荷電粒子を放出して推進力を発生させるマイクロ流体エレクトロスプレープロペラントです。

マイクロ流体エレクトロスプレープロペラント：その仕組み

マイクロ流体エレクトロスプレープロペラントは、荷電粒子を放出して推進力を発生させるイオンスラスターの一種です。NASAのジェット推進研究所で開発されたモデルの一つは、それぞれ数センチメートルの大きさです。郵便切手サイズの金属板には100本の細長い針があり、インジウムのような低融点の金属でコーティングされています。針の上に金属格子があり、格子と板の間に電場が設定されます。板が加熱されると、インジウムが溶け、毛細管現象によって液体金属が針の中に引き上げられます。電場は溶融金属を引っ張り上げ、表面張力が引き戻すことで、インジウムが円錐形に変形します。針の先端の小さな半径により、電場が表面張力を克服することができます。そして、それが起こると、陽イオンが秒速数十キロで飛び出します。それらのイオンの流れがニュートンの第三法則のおかげで船を逆方向に推進します。そして、それぞれのイオンは非常に小さな粒子ですが、多数のイオンが船から離れる力を発揮するため、重要な加速度を発生させることができます。

マイクロロケット科学の未来

これらのマイクロプロペラントシステムはまだ完全にテストされていませんが、一部の科学者は、小型船を地球の軌道から脱出させるために十分な推力を提供すると考えています。実際、今後10年間に数千のマイクロスペースクラフトが打ち上げられ、今日私たちが夢見ることしかできないデータを収集する予測がされています。マイクロロケット科学により、以前は不可能と思われていた方法で遠くの星や惑星を探索することができます。