西洋の探検家たちが帆の力を使って、それまで彼らにとって未知の世界（すでにそこに住んでいた人々にはよく知られていたが）を発見してから数世紀が経ち、SF作家やエンジニアたちは、宇宙探査が同様に光帆の力で行われるのではないかと考えてきた。
近くの恒星や遠く離れたレーザーからの光を利用して宇宙船を推進するというアイデアは、NASAの研究によって既に推進されています。NASAは昨年、太陽からの放射を捉え、宇宙探査のための推進力に変換するように設計された80平方メートルの帆を軌道上に展開することに成功しました。
現在、カリフォルニア工科大学を拠点とする研究者チームは、恒星間航行が可能な小型探査機のさらなる移動を可能にするソーラーセイル技術の開発に必要な、一群の超薄膜の性能を測定するためのプラットフォームをテストしている。
研究チームは、小さな膜片に働く微小な力と、斜めの角度でレーザー光を照射した場合の効果を測定することに成功した。
光帆のアイデアは、放射圧が表面と電磁場との間の運動量の交換によって表面に作用する機械的圧力を表すという事実に由来しています。スコットランドの物理学者ジェームズ・クラーク・マクスウェルは光に運動量があることを示しました。そのため、光帆を利用して物体を前進させることが可能になると考えられます。
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カリフォルニア工科大学応用物理学・材料科学科のハリー・アトウォーター教授（同教授の研究室を率いる）は、プレス声明で、最終的に光帆として使用できる新しい膜の開発には多くの課題があると述べた。推進手段としてレーザー光線を用いる場合、光帆は熱に耐え、圧力下でも形状を維持し、そして安定して走行する必要がある。
「しかし、そのような帆の建造を始める前に、材料がレーザーからの放射圧にどのように反応するかを理解する必要があります。膜の動きを測定するだけで、膜にかかる力を測定できるかどうかを調べたかったのです。そして、それが可能であることが分かりました」と彼は述べた。
この研究は、2018年に亡くなったケンブリッジ大学宇宙論教授で『時間の簡潔な歴史』の著者でもあるスティーブン・ホーキング氏と、ロシア生まれのイスラエル人物理学者で起業家のユーリ・ミルナー氏が2016年に開始したプロジェクトに端を発しています。彼らは、宇宙船を最も近い恒星系であるアルファ・ケンタウリに到達させるために必要な技術を探るため、「ブレークスルー・スターショット・イニシアチブ」を提唱しました。光帆への様々なアプローチは、その技術の一つに過ぎません。
カリフォルニア工科大学の研究者たちは、Nature Photonics誌に掲載された論文で、レーザービームの熱によって引き起こされる干渉振動を考慮しながら、遠隔レーザー光源からの放射圧を測定する問題を検証しました。また、彼らは「帆」が放射源に対して角度をつけて配置されていることによる影響も測定しようとしました。
研究者たちは実験で、特殊な糸で吊るされた厚さ50ナノメートルの微細な窒化シリコン膜を使用しました。また、2本のレーザー光線の干渉を検出し、レーザー熱に起因する変化を説明できる干渉計も構築しました。
論文は、「レーザー放射圧によって相対論的速度まで推進される超薄型ライトセイルは、フライバイによる太陽系外惑星探査において現在最も有望なルートである。しかし、ライトセイルの推進に不可欠な主要パラメータの実験的特性評価が著しく不足している。本稿では、実験室ベースのライトセイルプロトタイプの光機械特性評価とモデル開発のためのプラットフォームを提示する」と指摘している。
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研究チームは、共通経路干渉計による干渉を考慮して、1平方センチメートルあたり110ワットの出力を持つレーザーから70フェムトニュートンの放射圧力を記録した。
「さらに、入射角とスポットサイズが光力に与える影響を定量化し、エッジ散乱による直感に反する傾向を説明した」と論文は付け加えている。
共同筆頭著者のラモン・ガオ氏は次のように述べた。「この装置は小型の光帆に相当するが、我々の研究の大部分は長距離の光学的力によって引き起こされる動きを正確に測定する方式を考案し、実現することだった。」
将来的には、研究チームはナノサイエンスと人工材料を用いて、レーザーを照射した小型光帆の左右方向の動きと回転を測定・制御する計画です。この小型光帆は、現在展開されている光帆よりもはるかに小型の実験室用プロトタイプとなります。®
