NASAのパーカー太陽探査機は太陽との衝突に耐えられるように作られている

更新:最初の遅延の後、パーカー太陽探査機は 8 月 12 日日曜日午前 3 時 31 分 (東部標準時) に正常に打ち上げられました。

土曜日の早朝、ケープカナベラル上空はパーカー・ソーラー・プローブの打ち上げで明るく輝きます。その使命は？太陽の地獄のような外層大気を掃討し、太陽系の中心にあるガス状の火球を、これまで人工物よりも近い距離から観測することです。

地球に最も近い恒星であるにもかかわらず、太陽の過酷な環境は科学者たちを何十年も悩ませてきました。その奇妙な性質のいくつかは未だ謎に包まれています。例えば、なぜ太陽の大気は沸騰するプラズマの表面よりも数百倍も高温なのか、あるいは太陽風（電離したガスの噴出）をどのように発生させ、超音速で太陽系の果てまで加速させるのか、といった謎です。パーカー探査機は、7年間という歴史的なミッション期間中、研究者たちがこれらの長年の疑問に答えてくれることを期待してデータを収集します。最初の太陽通過は11月に予定されており、収集された情報は最終的に、太陽フレアや宇宙天気の突発を予測するためのモデルに活用される可能性があります。宇宙天気の突発は、衛星のスクランブル、国際宇宙ステーションの宇宙飛行士の危険、そして地球の電力網のダウンにつながる可能性があります。

これらの測定値を得るのは容易ではありません。パーカーは太陽表面から400万マイル（約640万キロメートル）以内を旋回しながら、華氏100万度（摂氏約640万度）を超える高温の中を航行し、同時に黄色い星の目玉を沸騰させるほどの輝きを浴びなければなりません。この小さな探査機が融解しないようにしているのは、一体何なのでしょうか。

日焼け止めシールド

パーカー氏が計画している24回のフライバイを可能にする鍵となる技術は、円盤状の耐熱シールドだ。幅8フィート（約2.4メートル）、厚さわずか11センチ（約11センチ）のこのシールドは、太陽の灼熱と宇宙船本体の間に常に設置される。このシールドは、超軽量の断熱カーボンフォームの両側に、硬質のカーボンファイバー板を2枚重ねた構造だ。花屋が花をアレンジする際に使う緑色のフォームを想像してみてほしい。純粋な炭素繊維でできているため、黒いのだ。片側にバーナーを当てても、もう片側は触れるほど冷たいままだ。

ジョンズ・ホプキンス大学応用物理学研究所のエンジニアによって設計され、カーボン・カーボン・アドバンスト・テクノロジーズ社で製造されたこのシールドは、太陽に面する側に白いセラミック塗料でコーティングされています。コロナの平均温度は約180万度（華氏180万度）ですが、コロナの密度が非常に低いため（高速で移動する高温の粒子の数が非常に少ないため）、通過する物体に熱が伝わりません。直射日光はより大きな脅威となり、パーカーの熱シールドの太陽に面する表面は華氏2,500度（華氏2,500度）まで加熱されます。

「コーティングからの反射だけで太陽光照射量は半分に減少します」と、ジョンズ・ホプキンス大学APLのパーカーミッションシステムエンジニア、ジム・キニソン氏は語る。残りは宇宙船の側面から放射される。つまり、シールドの太陽側は2,500度だが、裏側は570度にとどまる。4.5インチの幅で、約2,000度の差があることになる。

シールドの影の中、宇宙船内部は華氏85度（摂氏約27度）という快適な温度になります。「これは、以前にも打ち上げた科学機器をそのまま打ち上げられるように意図的に設計したものです。そのため、より高温の環境に合わせて機器を再設計する必要はありませんでした」とキニソン氏は言います。

これらの機器には、太陽のシンボルであるISʘIS（テロ組織と区別するために付けられた記号）が含まれます。ISʘISは高エネルギー粒子を測定し、それらがどこから来て、どのように太陽から加速して遠ざかっていくのかを解明します。また、太陽表面で発生するコロナ質量放出やその他の爆発現象の画像を撮影するWISPRも搭載されています。これにより、科学者は探査機の物理的測定結果と太陽大気の構造で何が起こっているかを結び付けることができます。

しかし、シールドの後ろからすべての測定を行えるわけではありません。

要素への露出

コロナの動的な電場と磁場を捉えるには、5本の長いアンテナが必要で、そのうち4本は太陽に露出されます。FIELDSスイートと呼ばれるこの装置は、NASAがロケットエンジンに使用している希少金属であるニオブの薄壁チューブから作られました。

SWEAP（Solar Wind Electrons Alphas and Protons：太陽風電子アルファ粒子と陽子）という頭文字で知られるもう一つの観測機器群は、太陽風中に存在する最も豊富な粒子の速度、密度、温度を測定します。そのためには、まずファラデーカップと呼ばれる特殊なセンサーでこれらの粒子を捕らえる必要があります。「概念としては非常にシンプルです」とキニソン氏は言います。このカップは宇宙ミッションで頻繁に使用されます。「ここでの違いは、非常に大きな熱環境にあるのです。」

耐熱性を持たせるため、エンジニアたちはチタン・ジルコニウム・モリブデンのシートを使用しました。この材料の融点は華氏約4,260度です。この装置は、カップを通過する電流を集める金属板で覆われた一連の電気グリッドで構成されています。グリッドは華氏6,000度以上の温度に耐えられるタングステン製です。そのため、通常グリッド線を刻むのにレーザーを使用するのに対し、パーカーの装置では酸を使用する必要がありました。

また、ソーラーカップから宇宙船のコンピュータにデータを送るための高温ケーブルも設計する必要がありました。この課題を解決するため、キニソン氏のチームはニオブ製のワイヤーを製作し、サファイアクリスタルチューブに通しました。ケーブルはソーラーカップから熱シールドの後ろにあるヒートボックスまで伸び、そこから宇宙船のコンピュータへと接続されます。「この考え方は、耐熱性のある部分とそうでない部分を分離することです」とキニソン氏は言います。

そして、それはほんの始まりに過ぎなかった。これらの物質が太陽コロナの中でどのように振る舞うかを調べるのもまた、難題だった。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、eBayで購入した4台のIMAXプロジェクターからビームを照射した。これにより、太陽表面付近でカップが受けるであろう熱と光の中で、加速粒子を測定できるかどうかをテストすることができた。マクガイバーもきっと誇りに思うだろう。

フライングソロ

しかし、小さなパーカーが直面する最大の危険は、おそらく、地球にいる人間からの継続的な支援なしに、あらゆる科学研究を行わなければならないことです。ミッション中、探査機は地球に対して太陽の裏側に位置し、衛星通信が届かない場所にいることがよくあります。また、耐熱シールド自体が通信を遮断することもあります。そこで、エンジニアたちは、あらゆる問題の発生を検知し、探査機の回復を支援するシステムを構築しました。

例えば、熱シールドの影の縁に沿って小型センサーが取り付けられています。これらは戦略的に配置されており、最初に太陽光を捉えます。もし太陽光を捉えた場合、探査機のコンピューターに警告が送られ、コンピューターは自動的に飛行経路を修正し、シールドを安全な場所に戻します。「パーカーは、これまでに建造された宇宙船の中で最も自律性に優れた機体の一つです」とキニソン氏は言います。「なぜなら、接近中にデータ収集の機会を失うことが最悪だからです。」

パーカーは11月に金星の重力支援を受けて、太陽から最も遠い地点を初めて通過する。つまり、科学者たちは年末までに低解像度の断片的なデータを見始めることになる。「私たちの好奇心をそそるには十分です」と、NASAゴダード宇宙飛行センターのパーカー・ミッション・サイエンティスト、アダム・サボ氏は語る。あと数回の通過を経て初めて、超音速で加速する太陽風の物理法則に関する誰の理論が正しいのかを判断できるだけの情報が得られるだろう。誰も正しいとは限らない。つまり、まだ誰も考えていないメカニズムである可能性もある。「ここは太陽系で最後に残された未踏の領域の一つです」とサボ氏は言う。「まさに未知の領域です」

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