太陽系外を探査できる宇宙船が 欲しいなら――そしてそこに到達するまで何十年も待ちたくないなら――実際に移動できる宇宙船が必要です。今日の化学ロケットや太陽光発電探査機は、星間スケールでは全くもって遅いです。アルトゥール・ダボヤンは、宇宙船を極限速度まで加速する全く異なるアイデアを持っています。それがペレットビーム推進です。
その仕組みの要点は次のとおりです。まず、実際には 2機の宇宙船が必要です。1機目の探査機が深宇宙への片道の旅に出発し、もう1機は地球周回軌道上に留まり、毎秒数千個の微小金属ペレットを相手に発射します。周回中の探査機は、後退する探査機に向けて10メガワットのレーザービームを照射するか、地上からレーザーを照射してペレットを照射します。レーザーはペレットに照射され、加熱・アブレーションされます。その結果、ペレットの物質の一部が溶けてプラズマ（高温のイオン化粒子の雲）になります。このプラズマがペレットの残骸を加速し、このペレットビームが宇宙船に推進力を与えます。
パベル・シャフィリン提供、NASA
あるいは、ダボヤン氏は、探査機に搭載された磁場発生装置を使ってペレットを偏向させれば、探査機はペレットビームから推進力を得ることができると考えている。この場合、磁気作用によって探査機は前進することになる。
このシステムは、1トンの探査機を時速30万マイル（約48万キロメートル）まで加速させることができます。これは光速に比べると遅いですが、従来の推進システムに比べると10倍以上の速度です。
これは理論上の概念ですが、十分に現実的であるため、NASAの革新的先進概念プログラムは、この技術の実現可能性を示すためにダボヤン氏のグループに17万5000ドルの資金を提供しました。「そこには豊かな物理学が関わっています」と、UCLAの機械・航空宇宙エンジニアであるダボヤン氏は言います。「推進力を生み出すには、ロケットから燃料を放出するか、 ロケットに燃料を投じるかのどちらかです」と彼は続けます。物理学的な観点から見ると、どちらも同じ仕組みです。どちらも移動物体に運動量を与えます。
彼のチームのプロジェクトは、長距離宇宙探査を一変させ、私たちがアクセスできる天体の領域を劇的に拡大する可能性があります。結局のところ、私たちは天王星、海王星、冥王星とそれらの衛星を調査するために数機のロボット探査機を送り込んだに過ぎません。さらに遠くに潜む物体については、さらにほとんどわかっていません。NASAが星間空間へ向かっている探査機はさらに少数で、1970年代初頭に打ち上げられたパイオニア10号と11号、1977年に打ち上げられ今日までミッションを続けているボイジャー1号と2号、そして2015年に冥王星を通過するのに9年を要し、準惑星の今や有名になったハート型の平原を垣間見た、より新しいニューホライズンズがあります。46年間の旅で、ボイジャー1号は地球から最も遠くまで冒険しましたが、ペレットビームを動力とする探査機ならわずか5年で追い抜くことができるとダボヤンは言います。
彼は、ロシア生まれの慈善家ユーリ・ミルナーと英国の宇宙学者スティーブン・ホーキングが2016年に発表した1億ドル規模のプロジェクト、ブレイクスルー・スターショットからインスピレーションを得ている。このプロジェクトは、100ギガワットのレーザー光線を使って小型探査機をアルファ・ケンタウリ（太陽系に最も近い恒星で、「わずか」4光年の距離にある）に向けて打ち上げるというものだ。スターショットのチームは、光帆に取り付けた重さ1グラムの探査機をレーザーで光速の20%まで加速し、星間空間に打ち上げる方法を研究している。これはとてつもなく速い速度で、移動時間を数千年から数十年に短縮できる。「今世紀後半には、人類が近くの恒星にも到達できるようになるだろうという楽観的な見通しを強めています」と、ブレイクスルー・スターショットのエグゼクティブ・ディレクター、ピート・ワーデンは語る。
とはいえ、彼はこの未来的なプロジェクトの実現には半世紀以上かかる可能性があると見込んでいる。このプロジェクトには、巨大なレーザーの開発、崩壊することなくこれだけの電力を扱うことができる光帆の建造、そして極小の宇宙船と地球との通信機器の設計など、いくつかの野心的な物理学と工学の課題が伴う。また、経済的な課題もあるとワーデン氏は指摘する。それは、すべての要素を「手頃な金額」でまとめられるかどうかを判断することだ。初期資金は1億ドルだが、彼らは総額約100億ドルを目指している。これはジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の建設費用と同程度、あるいは大型ハドロン衝突型加速器（LHC）の建設費用を数十億ドル上回る。「我々は慎重ながらも楽観的です」と彼は言う。
そこでダボヤン氏は中間的な選択肢を検討することにした。彼のプロジェクトでは、より小型のレーザー（直径数メートル）とより短い加速距離を採用する。もし成功すれば、チームの構想は20年以内に深宇宙探査機の動力源となる可能性があると彼は考えている。
ワーデン氏は、こうしたアイデアは試してみる価値があると考えている。「UCLAの構想や私が知る他の構想は、人類の視野に近隣の恒星系も含めるべきだという考えを推し進め始めたことが、真に火をつけたのだと思います」と、NASAエイムズ研究センターの所長を務めた経験を持つワーデン氏は語る。彼は、ヒューストンのリミットレス・スペース研究所とベイエリアのスタートアップ企業ヘリシティ・スペースの研究も、その例として挙げている。
研究者たちは、他の種類の高度な深宇宙推進システムも構想しています。これには、原子力電気推進と原子力熱ロケットエンジンが含まれます。原子力電気推進は、軽量の核分裂炉と電力に変換する効率的な熱電発電機を必要とします。一方、原子力熱ロケットのコンセプトでは、原子炉に水素を送り込み、熱エネルギーを発生させて機体に推進力を与えます。
あらゆる種類の原子力システムの利点は、太陽から遠く離れた場所（太陽光発電機ではエネルギー収集量が少ない場所）でもかなり効率的に機能し続けられること、そして現在のNASAやSpaceXの化学ロケットよりもはるかに高い速度を達成できることです。「化学システムは、その性能と効率の限界に達しました」と、NASAの宇宙原子力技術管理責任者であるアンソニー・カロミノ氏は述べています。「原子力推進は、深宇宙旅行の次世代の可能性を提供します。」
この技術は、より身近な分野にも応用できます。例えば、火星への旅は現在約9ヶ月かかります。この種の宇宙船は飛行時間を大幅に短縮することで、乗組員のがんを引き起こす宇宙放射線への被曝を最小限に抑え、宇宙旅行をより安全にすることができます。
カロミノ氏は、NASAと国防総省の先端研究機関である国防高等研究計画局（DARPA）が1月に発表した共同研究「アジャイル地球周回軌道運用実証ロケット（Draco）」と呼ばれる核熱プログラムへのNASAの関与を主導している。核熱炉は地上や原子力潜水艦のものとそれほど変わらないが、2500度といったより高温で稼働する必要がある。核熱ロケットは高い推力を効率的に達成できるため、搭載する燃料が少なくて済み、コスト削減や科学機器搭載スペースの拡大につながる。「これによりペイロードに利用できる質量に余裕が生まれ、NTRシステムはより大型の貨物を宇宙に運んだり、同サイズの貨物をより遠くまで妥当な時間スケールで運んだりできるようになる」とDARPAのドラコプログラムマネージャー、タビサ・ドッドソン氏はメールで述べた。チームは、この10年以内にこのコンセプトの実証を行う予定だ。
ダボヤン氏と彼の同僚たちは、今年の大半をNASAやその他の潜在的なパートナーに対し、彼らの推進システムが実現可能であることを示すために費やすことになります。彼らは現在、様々なペレット材料の実験を行い、レーザービームでそれらをどのように押し出すかを研究しています。また、ペレットビームが宇宙船に可能な限り効率的に運動量を伝達し、宇宙船を押し出すと同時に加熱しないように設計する方法も研究しています。さらに、天王星、海王星、あるいはその他の太陽系の目標への軌道の可能性についても研究しています。
NASAの承認が得られれば、60万ドルの資金と、構想の調査にさらに2年間の猶予が与えられる。しかし、ダボヤン氏は、大規模な実証実験にはそれだけでは不十分だと指摘する。プロトタイプを宇宙で実際にテストするには数千万ドルの費用がかかり、それは後回しになる。研究開発には時間がかかる。超高速化への競争は、ゆっくりと進むことから始まります。
