ボーイングが巨大マゼラン望遠鏡の設計にどのように貢献したか

チリのアタカマ砂漠は、星空観察に最適な場所です。乾燥した空気とまばらな集落が天文台にとって大きな魅力となっており、ヨーロッパ南天天文台、カーネギー研究所、リャノ・デ・チャナントール天文台はいずれも、この地域の山頂に複数の望遠鏡を設置しています。

しかし、砂漠の風は問題だ。巨大だが高感度で精密な観測機器を収めた筐体の周囲や内部を、空気が激しく吹き抜ける。これまで観測所は、乱流の中でも鏡を安定させるため、重い架台や堅牢な構造物で対応してきた。しかし、力ずくのエンジニアリングには限界がある。

巨大マゼラン望遠鏡のエンジニアたちは、地球最大の光学望遠鏡となるこの望遠鏡の計画に着手した時点で、まさにそのことを認識していました。2022年にカーネギー研究所ラス・カンパナス天文台に開設されるこの望遠鏡は、7枚の鏡を合わせた合計直径83フィート（約24メートル）に達します。これはハッブル宇宙望遠鏡の10倍の分解能を実現するのに十分な広さであり、通り過ぎる風を捉えるには十分すぎるほどです。

「この建物は前例のないほど巨大で、地上から最上階まで22階建てです」と、巨大マゼラン望遠鏡機構の運用責任者であるパトリック・マッカーシー氏は述べた。「容積が大きくなり、内部の空気量も増えました。しかし、大型望遠鏡であるがゆえに、画質への期待はますます高まっており、建物が大きくなるにつれて、画質に影響を与える要素も規模に応じて変化していくのです。」

これには風による振動だけでなく、ドーム内部の熱特性、例えば鏡の温度や、一日中太陽の光にさらされて暖められた鋼鉄からの熱放散なども含まれ、どちらも空気の流れの影響を受けます。「これらを計算に入れるには、専門的なスキルを持つ人材の協力が必要でした」とマッカーシー氏は言います。

そこで天文学者たちはボーイング社に連絡を取りました。2015年、巨大マゼラン望遠鏡機構は、この型破りな建物周辺の気流管理に最適な経験と技術を持つ航空機メーカーと提携しました。

文化の交差

スキルとテクノロジーは長い間、軍事、科学、民間の用途の間で交差しており、その恩恵を受けるのは、受益者であるクライアントだけではなく、この傾向を自社の技術を磨く機会と捉えている企業自身でもある。

「ツールセットを様々な方法で応用すると、クロストレーニングのように、筋肉の鍛え方も変わってきます」と、天文学者たちを支援したボーイング・リサーチ＆テクノロジー部門の航空科学担当シニアマネージャー、ビル・ノービー氏は述べた。「通常とは異なる方法で戦略を用いることで、より多くのことを学び、強さと汎用性を高めることができます。」ノービー氏によると、将来的には、こうした分析作業が、ボーイング社が発射台でロケットを方向付ける方法や、国防総省の地上設置型光学システムの設計に影響を与える可能性があるという。

ボーイングのライバル防衛関連企業も、それぞれ独自の技術交流プログラムを展開している。ロッキード・マーティンの技術者らは、F-35戦闘機用に開発した耐熱プラスチックを通信衛星に採用した。また、C-130J軍用貨物機のプロペラを改造した発電用水中タービンも開発した。さらに、ロケット・衛星企業スペースデヴと提携し、宇宙飛行士や貨物を低軌道や国際宇宙ステーションに輸送するために開発中の新型宇宙機ドリームチェイサーに、戦闘機の技術をさらに取り入れた。「最終的には、当社の規模を活かして製品間でアイデアを融合させ、新たなものを生み出したい」と、ロッキードの最高技術責任者ケオキ・ジャクソン氏は語る。「GPSを例に挙げると、当社にとっては軍事プログラムとして始まったものが、今では文字通り毎日数十億の人々に影響を与えている」

軍事分野のノウハウが必ずしも民間に応用されるわけではありません。最近のプロジェクトでは、ロッキード・マーティンが米国郵便公社向けに手書きの文字を読み取るために開発したアルゴリズムを、ヘリコプターが水中の潜望鏡を探知するシステムに応用しました。他の技術の融合はより広範囲に適用可能であり、緊急性を帯びているため、一見当然のことのように思えます。

軍用ハードウェアから戦闘ネットワークをつなぐ大規模コンピュータシステムまで幅広い事業を展開するレイセオンは、最近、サイバーセキュリティ技術を民間セクターへ移転し始めました。「当社が多くの軍用システムを強化してきたことは、自動運転車の車車間通信のセキュリティ確保にも当然当てはまります」と、CEOのトム・ケネディ氏は述べています。「このようなネットワークをどのように保護するのでしょうか？ 私たちは人工知能を応用してネットワークを分析し、問題のある箇所を発見したらそれを隔離して解決できるようにしています。この分野における当社の次のステップは、自動車業界の皆様に多大な貢献をもたらすでしょう。」

山の風

ボーイングの宇宙探査への取り組みは、基礎から始まった。「ボーイングが最初に尋ねたのは、『本当に正しい場所に設置していますか？』でした」とマッカーシー氏は語る。望遠鏡は山頂に設置されるので、具体的な設置場所はそれほど重要ではないと思われるかもしれないが、実際には重要だった。「山頂」というだけでは、空気力学の微妙な要素をすべて考慮に入れているわけではないことが判明した。「空気力学的な観点から見ると、空気の流れが良い場所があり、最終的に筐体の設置場所が変更されました」とボーイングのノービー氏は語る。

この研究の重点は、数値流体力学を用いて、望遠鏡の筐体が循環する温風や冷風によって生じる熱と振動の影響の両方に対して最適化されていることを確認することでした。チームは水路（水中風洞のようなもの）で実験を行い、水流に着色染料を注入し、3Dプリントされた観測地点のレプリカの周りをどのように流れるかを観察しました。そして、満足のいく結果が得られるまで予測モデルを微調整しました。

こうした作業はすべて、長期的な運用上の意思決定にも貢献します。「ボーイング社は、熱と振動の問題に関して、両方の長所を両立させるのに役立つデータを提供してくれました」とマッカーシー氏は言います。「これらの要因を考慮して筐体を微調整する方法だけでなく、実際の使用状況の変化に合わせて通気を制御する方法も教えてくれます。ある状況では通気は最適化されているかもしれませんが、風向きや角度、望遠鏡の状態が変化すると最適化されなくなります。そうすれば、望遠鏡の運用担当者を支援するデータベースが得られます。これは数十億ドル規模のプロジェクトです。私たちは独自の推測ではなく、体系的なアプローチを求めています。」

防衛関連企業が可能な限り多くの市場に製品を投入するのは当然のことです。実際、中にはこうした拡張思考を中核戦略に組み込んでいる企業もあります。ロッキードは、事業横断的なブレインストーミングと人材共有を促進するための協議会や連携体制を構築し、可能な限り幅広い顧客のためにイノベーションを促進することを目指しています。

制限があると思われるような軍事技術でさえも、調査対象となっています。（機密性が高いのは、通常、コア技術そのものではなく、その応用分野です。）ロッキードは、兵器照準システム用のセンサーをキューブサット（科学研究用に大量に打ち上げられる超小型衛星）向けに改造しました。2012年にハリケーン・サンディが東海岸を壊滅させた後、ロッキードのエンジニアたちは軍事用センシング技術を再利用し、自動迅速インフラ評価システム（Automated Rapid Infrastructure Evaluation System）を開発しました。これは、ライダーと視覚画像を用いて、大規模災害後のインフラ被害を評価するシステムです。

時には、利益が利益を超越することもあります。こうした異業種間の交流は企業に新たな分野や可能性を提示するだけでなく、従業員にも同様のメリットをもたらします。ボーイング・リサーチ＆テクノロジーのエンジニアで、マゼラン望遠鏡プロジェクトに携わったアブディ・コダドゥスト氏は、新たな趣味を見つけました。「2015年にチリのマゼラン望遠鏡プロジェクトを訪れました」と彼は言います。「山頂にいるのは楽しく、それ以来、天文学への興味が深まりました。」