NASAのPsycheミッションは宇宙レーザー（通信用）の試験に出発

NASAの探査機「プシケ」は今朝、東部時間午前10時20分に打ち上げられ、現在、金属を豊富に含む同名の小惑星へと向かっている。長らく延期されていたこのミッションでは、一連の科学機器を用いて小惑星を調査し、この岩石の塊が、まだ完全には形成されていなかった惑星の核であったかどうかを判定する予定だ。

しかし、プシケのミッションはそれだけではありません。この探査機には重要な実験も搭載されています。それは、遠く離れた宇宙船との間で大量のデータを送受信するための未来的なレーザー技術、いわゆる「深宇宙光通信プロジェクト（DSOC）」の試験です。この技術は、無線通信の10～100倍の容量を実現し、データレートを大幅に向上させると期待されています。現在、宇宙で信号を送受信する唯一の手段は無線ですが、長距離宇宙船の増大するデータ需要を満たすことはできません。DSOCは次世代のミッションに革命をもたらす可能性があり、将来の探査機が高解像度の画像を送信したり、火星の宇宙飛行士が動画を地球に送信したりすることを可能にするでしょう。

「火星のような距離から非常に高いデータレートを実現できる可能性を示そうとしています。これにより、火星地図作成のような高解像度の科学機器の使用が可能になります。また、火星の有人探査には大きな関心が寄せられており、そのためには高い帯域幅が必要になります」と、カリフォルニア州パサデナにあるNASAジェット推進研究所のDSOCプロジェクトテクノロジスト、アビ・ビスワス氏は語る。

DSOC近赤外線レーザートランシーバーは、プシケ宇宙船の片側から突き出た筒状のサンシェードに収納されています。4ワットのレーザーで高速データを送信し、光子計数カメラで地球からの低速データを受信するように設計されています。どちらのデータも口径8.6インチの望遠鏡を通して送信されます。

エンジニアたちは打ち上げ後約20日でこのシステムのテストを開始する予定ですが、これはあくまで技術実証に過ぎません。プシケのミッションデータは従来の無線通信で中継されます。DSOCは、宇宙船が小惑星に到達するまでの約6年間の旅の最初の約2年間、エンジニアたちが送信機と検出器をテストするため、週に約1回レーザー信号を送受信します。

同様の技術は、欧州宇宙機関（ESA）の静止軌道衛星やNASAの月周回衛星によってこれまでにも利用されてきました。しかし、月よりもさらに遠く、はるかに遠く、2億～3億マイル（約3億～4億キロメートル）の距離で同様の試みが行われるのは今回が初めてです。

DSOC実験には、探査機が細いレーザービームを地上の受信局に向けられることを確認することから始まる、いくつかの難しいステップがある。ビスワス氏は「1マイル離れたところから動いている10セント硬貨を狙うようなものだ」と述べている。信号の強度は送信機と受信機の距離の2乗に比例して低下するため、地球に到達する頃には非常に弱くなり、光子はほんの一握りしか残らない。そのためには地上に高感度の検出器、つまり1ケルビンの氷点下に保たれた超伝導ナノワイヤ検出器と呼ばれる装置が必要になる。光子が到達すると、ナノワイヤは超伝導状態と超伝導状態の間を遷移し、電気パルスを発する。ビスワス氏らは高速電子機器を用いてこれらのパルスを処理し、信号に含まれる情報を抽出する予定だ。

計画通りに機能すれば、DSOCは無線通信のようにキロバイト単位ではなく、毎秒数メガバイト単位のデータを送信できるようになります。無線システムは改良されてきましたが、データレートを向上させるには、ハードウェアのサイズ、質量、そして電力も増加させる必要があります。しかし、これらは無限に拡張できるものではありません。数億マイルを超える伝送には、現状では製造できないほど巨大な無線アンテナが必要になります。

NASAはディープ・スペース・ネットワーク（DSN）として知られる世界規模の無線アンテナネットワークを運用していますが、このシステムへのデータ需要は限界に達しています。例えば、昨年のアルテミス計画の最初の月探査ミッションとその二次ペイロードは特に需要が高く、その結果、他の科学ミッションでは約1,600時間のDSN時間が失われました。

光レーザー用のアンテナネットワークはまだ存在しないため、NASAは地球上に新たな専用インフラを必要としています。「このプロジェクトのユニークな点の一つは、飛行ターミナルに加えて地上システムも提供する必要があることです。このハードウェアを開発した人々が、Psycheミッション中にこれを使用し、実験してくれることを楽しみにしています」と、DSOC地上システム製品提供マネージャー兼運用責任者のミーラ・スリニヴァサン氏は9月20日のNASA記者会見で述べました。

これらの地上システムには、JPL北方のテーブルマウンテンにある光通信望遠鏡研究所に設置される5キロワットの高出力レーザー送信機が含まれます。この送信機は、プシケが地球に向けられるようビーコンを発射し、低速のアップリンクデータを送信する予定です。探査機から送信される高速ダウンリンクデータの受信には、NASAはサンディエゴ郡にあるカリフォルニア工科大学パロマー天文台（JPL南方の山頂）の200インチ・ヘール望遠鏡を利用しています。このヘール望遠鏡こそが、超伝導ナノワイヤ検出器を採用している望遠鏡です。

こうしたレーザーには多くの利点があるものの、光通信を悩ませる問題が一つあります。それは雲です。南カリフォルニアのこれらの地点は曇りになることはめったにありませんが、雲、煙、もやなどに遮られて信号が届かない場合があります。システムが機能するには、両方の山頂地点が曇り空である必要があります。そのため、ここでテストされている光レーザーは深宇宙通信の主要手段にはならない可能性があるとビスワス氏は言います。将来、光レーザーを使ったミッションでは、雲を透過する無線通信も必要になるでしょう。

プシケの打ち上げは、9月にオシリス・レックスが小惑星ベンヌからサンプルリターンしたのに続き、NASAが「小惑星の秋」と呼ぶ季節の到来を告げるものです。NASAは今週初め、採取したレゴリスの一部の予備分析結果を発表し、水と有機物を含む炭素を豊富に含む鉱物で構成されていることを示しました。11月には、ルーシー・ミッションが小惑星ディンキネシュをフライバイしながら画像を撮影する予定です。

オシリス・レックスのイベントで、NASA惑星科学部門長のロリ・グレイズ氏もプシケ計画について言及し、その探査対象惑星の希少性を強調しました。「プシケは、鉄やニッケルといった金属が豊富に含まれていると考えられる、地球上に数百万個あると考えられる小惑星のうち、わずか9つしかない、他に類を見ない小惑星を訪問します」とグレイズ氏は述べました。