物理学者たちがレーザービームで大気を浄化

2019 年の最初の2 か月間、マルテ・シュローダーはメリーランド州郊外の大学のキャンパスで数週間を過ごし、小さな発泡スチロールの箱の中に完全に設定されたドラマチックなシーンの演出を行いました。

まず、彼は箱の中を積雲の千倍もの濃霧で満たして舞台をセットした。それから照明だ。場面を照らすために、彼はメリーランド大学の物理学者ハワード・ミルヒバーグとそのチームが作った特殊なレーザーを使った。スイスのジュネーブ大学の物理学の大学院生であるシュレーダーは、そのレーザーを使うためだけにメリーランドまでやって来た。「ミルヒバーグのグループは、こうした非常に正確なレーザーパルス列を作るのが得意で、各パルス間の時間遅延を明確に測定できます」とシュレーダーは言う。レーザーは非常に精密で、8.36兆分の1秒間隔で赤色レーザー光のパルスを生成できる。まさにシュレーダーが必要としていたものだ。

シュレーダーは、発泡スチロールの小さな窓からこの一定の赤色パルス列を照射し、強い光の下で霧を観察した。そしてついに、彼は望んでいた光景を再現した。レーザーが蒸気の粒を押しのけ、容器全体に薄く透明な空気の層を形成したのだ。

Optics Express誌に最近掲載されたこの実証実験は、レーザーを用いて雲や霧の中の通路を切り開くという研究者たちの壮大な野望、シュレーダー氏がマッドサイエンティスト風に「気象制御」と呼ぶものを実現する上で重要な一歩となる。特に霧の除去は、光ファイバーではなく空気中を通してレーザー光でデータを伝送する、自由空間光通信と呼ばれる新興技術の普及を可能にする可能性がある。自由空間光通信では、高高度にある衛星などの伝送局がレーザービームに符号化された情報を大気圏を通して受信機に送信する。

このタイプの伝送方式の利点の一つは、光ファイバーネットワークを実際に構築することなく、光ファイバーに匹敵するデータ速度を実現できることです。例えば、2013年には、この技術により、NASAの月レーザー通信実証（LLCD）ミッションにおいて、月から239,000マイル離れた地球上の様々な地上局に高解像度ビデオを送信することができました。2022年に有人宇宙船を月周回軌道に送り返す計画であるNASAのアルテミスIIミッションでは、エンジニアが同様のレーザー通信システムを宇宙船に搭載する予定です。

しかし、地球の大気圏を介したダウンリンクの成功は天候に左右される。雲や霧の粒は、まるで小さな影絵の群れのように、レーザー信号を弱め、散乱させる。LLCDミッション中、雲を避けるためにNASAのエンジニアたちは地球上に3つの受信局を建設する必要があり、そのうち2つは通常、宇宙船と月の間の視線上に位置していた。「片方の局に雲がある場合は、ビームをもう一方の局に向けます」と、LLCDミッションに携わったMITリンカーン研究所の光学エンジニア、ブライアン・ロビンソンは語る。時折、両方の局が雲に覆われ「何も受信できない」こともあったと彼は言う。

複数の地上局の建設には費用がかかるため、この技術はまだ主流にはなっていない。「通信の重要な分野ではありますが、ニッチな用途に限られがちです」と、アリゾナ大学の光学エンジニア、ダン・キルパー氏は述べている。キルパー氏は今回の研究には関わっていない。エンジニアは通常、光ファイバー敷設が困難または不可能な場所、つまり宇宙空間でこの技術を使用する。さらに、親会社アルファベット傘下の研究会社X（旧Google X）は、インドのアーンドラ・プラデーシュ州やハリケーン・マリア後のプエルトリコなど、インターネット接続が限られている地域でインターネットサービスを提供するため、気球や建物の屋根にこれらの送信機と受信機を設置している。

霧除去機能があれば、地上局をそれほど多く必要とせずに光通信を安定的に行うことができる。しかし、高出力パルスレーザーがどのように役立つのか、研究者たちはまだ基礎的な理解を深めている段階であるため、そのコストは依然として不透明だ。「数年前までは、霧の粒子を除去するためにこの技術を使おうとした人は誰もいませんでした」とミルヒバーグ氏は言う。

この最新の実証は、レーザーと霧に関する数年にわたる実験に基づいている。過去には、シュレーダーのジュネーブ大学のアドバイザーであった物理学者ジャン=ピエール・ウルフが、周囲の空気の性質を変えるほどの強力なレーザーパルスを用いた実験を主導していた。1秒間に数百回発生するこれらのつかの間のパルスはそれぞれ、太陽の10兆個よりも明るく放射された。この光子の洪水が空気分子と衝突し、分子から電子を剥ぎ取って、プラズマと呼ばれる新しい物質状態である緩い電荷の流体を生成した。もはや私たちが通常肺に吸い込む馴染みのある拡散した気体ではなく、空気は一時的に別の物質になった。その後、空気が冷えて気体に戻ると、振動して「音波を発射した」とミルヒバーグは言う。この音波が空気中の霧を押し出し、霧のない通路を形成した。

しかし、プラズマは制御が難しく、空気の通路を望みの形状に成形するのが難しい。ミルヒバーグとシュレーダーの新たな研究では、より制御された方法で霧を除去できることがわかった。今回は、はるかに速いリズムでパルスを発射することで空気分子を回転させ、プラズマを発生させることなく通路を浄化する音波を生成した。ミルヒバーグによると、パルスが空気分子に当たるタイミングを正確に計り、十分な速度で回転させることが重要だという。彼はこれをブランコに乗っている人を押すことに例え、最大の効果を得るには、常に弧の頂点となる瞬間を押す必要があるという。

霧除去は、将来の光通信において重要な役割を果たす可能性があります。キルパー氏は特に、既存の暗号化方式よりも優れたセキュリティを約束する量子暗号と呼ばれる新興技術におけるその有用性を強調しています。これらのプロトコルでは、2つの当事者が個々の光子に符号化された情報を交換します。この情報は、軌道上の衛星によって中継される場合もあります。量子力学の奇妙な性質により、ハッカーがこれらの光子を傍受しようとした場合、情報は瞬時に改ざんされ、使用不能になってしまいます。しかし、個々の光子は非常に暗いため、霧は量子暗号にとって大きな問題となります。

ミルヒバーグ氏の研究グループは発泡スチロールの箱の中での霧除去しか実証していませんが、100メートルというはるかに長い範囲の霧を除去する技術的能力を持っているとミルヒバーグ氏は言います。これらの距離を繋げれば、さらに長いチャネルを作ることも可能です。おそらく、より大きな問題は、誰がこの技術に投資したいと思うかということです。ミルヒバーグ氏は、霧除去技術は最終的にレーザー兵器に活用される可能性があると推測しています。例えば、2014年、米海軍はペルシャ湾の艦艇に30キロワットのレーザーを搭載し、ドローンなどの訓練目標への射撃に使用しました。海軍の技術者は、このようなレーザーに霧除去機能を搭載することも考えられます。また、軍は民間プロジェクトに比べて、このような実験技術に費やす資金がはるかに豊富です。

一方、ジュネーブに戻ったシュレーダーのグループは、霧を晴らす音波が雷の進路を誘導するのに役立つかどうかも研究している。同様のレーザーパルスで空気の伝導率を変え、抵抗が最も少ない望ましい経路を切り開くというアイデアだ。これにより、空港、ロケット発射場、さらには森林から雷を遠ざけることができる可能性がある。「繊細なインフラを落雷から守ることに大きな関心が集まっています」とシュレーダーは言う。用途に関わらず、彼らは光を望みの場所に導くことができるのだ。

2020年4月29日午前11時15分更新: このストーリーは、レーザー通信システムがNASAのアルテミスII宇宙船にいつ搭載されるかについて訂正するために更新されました。

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