光の圧力で星間航行へ——帆船型宇宙機の実現が近づく
星間旅行を可能にする技術として、核動力や反物質推進と並び、より実現的な選択肢が注目を集めている。太陽光や磁場、レーザーの圧力を利用した帆船型宇宙機の開発だ。従来の化学ロケットのように推進剤を積む必要がなく、反射面や磁化した構造体で放射圧を受けることで加速する仕組みは、人間の一生のうちに星間航行を達成できる可能性を秘めている。
光が物を押す——理論から実験へ
19世紀、スコットランドの物理学者ジェームズ・クラーク・マクスウェルの電磁現象に関する研究（1861～1864年）により、光は運動量を持ち、物体に圧力を及ぼすことが理論的に示された。この発見は後に宇宙機推進の基礎となる。
1899年、ロシアの物理学者ピョートル・レベージェフが捩り天秤を用いた実験で光圧を検証した。翌1901年には、アーネスト・ニコルスとゴードン・ハルが独立して同様の実験結果を報告している。
実用化への道を開いたのはコンスタンチン・ツィオルコフスキーだ。1921年、彼は太陽光で宇宙機を推進する構想を初めて提案し、「莫大な薄い鏡を広げて太陽光の圧力を利用し、宇宙速度に到達する」ことが可能だと述べた。その後、1925年にはラトビアの物理学者フリードリヒ・ツァンダーが「微小な力を光圧や光エネルギーの伝送を通じて利用する非常に薄い鏡」に関する技術論文を発表している。
20世紀後半には大衆向けの普及も進んだ。1972年、J・B・S・ホールデンは「1平方キロメート以上の金属箔製の翼で太陽放射圧を受け、筒状の宇宙機を推進させる」という構想を著述。カール・セーガンも講演や著作、テレビ番組「コスモス」を通じて太陽帆の概念を広めた。セーガンは、近い将来に打ち上げられた宇宙機がハレー彗星と会合する情景を描いた。
磁場と電漿の可能性——次世代推進機関へ
太陽帆と並行して、磁場を利用した推進機関の研究が進展してきた。1988年、ダナ・G・アンドリュースとロバート・ズブリンが「Magnetic Sails and Interplanetary Travel」という論文で、磁気帆（マグセイル）の初期設計を提案した。この構想では、超伝導ループの半径が50～100キロメートル、質量が約100トンの装置が必要とされていた。
その後、設計は次々と改良されていく。2000年、ワシントン大学のロバート・M・ウィングリー教授らが、低エネルギー電漿をより小さく軽量なコイルに注入する「Mini-Magnetospheric Plasma Propulsion（M2P2）」を提案した。この方式は消費電力も削減できる利点を持つ。
日本では、2003年より宇宙航空研究開発機構（JAXA）と日本の大学が連携し、磁化電漿帆（MPS）に関する一連の研究を実施した。この研究は磁気帆の物理原理に関する理解を大きく進め、注入する電漿の密度と速度を従来設計より低くすることで最良の性能が得られることを明らかにした。
2012年から2021年にかけて、Helion Energy最高経営責任者のデビッド・カートリーとジョン・スロー教授は、惑星電離圏を制動機構として利用する「Plasma Magnetoshell」という概念を提案し、火星、木星、海王星、天王星への探査ミッションを想定したシミュレーションを実施した。その結果、複数ターンのコイル設計が電漿磁石型より実現性が高いことが示された。
出典: Universe Today
