キューブサット「CuPID」で太陽と地球の境界に新たな視点が生まれる

キューブサット「CuPID」で太陽と地球の境界に新たな視点が生まれる 天文・宇宙
Landsat 9©NASA

靴箱ほどの大きさの人工衛星の製作を手伝うと、その衛星に関するあらゆることを学ぶことができると、ボストン大学の機械工学博士課程に在籍するEmil Atz氏は言います。資金調達のための提案書の書き方、衛星を固定するためのネジの取り付け方、各機器が正常に機能するためのテスト方法などを学びます。

そして、お別れの仕方も学びます。

Atz氏は、「4年間フルタイムでハードウェアの開発に携わり、それをロケットに搭載して二度と見ることができないというのは、とても怖いことです」と語ります。「私はドアを閉めたくありませんでした。」

今年の9月、カリフォルニア州のバンデンバーグ宇宙軍基地からロケットが打ち上げられ、NASAと米国地質調査所の共同ミッションであるLandsat 9(ランドサット9号)1Landsat 9は、2021年9月に打ち上げられる予定の地球観測衛星です。NASAが衛星の構築、打ち上げ、テストを担当し、米国地質調査所が衛星を運用し、データアーカイブを管理および配布します。ランドサット計画では9番目の衛星になりますが、ランドサット6号は軌道に到達できませんでした。が搭載されます。このロケットには、宇宙開発プロジェクトに使用されるコンパクトな箱型の衛星「キューブサット」も4機搭載されます。

キューブサットは、通常の衛星に比べて打ち上げ費用が安いのが特徴です。友達同士でタクシー代を割り勘にするように、小さな衛星が他のミッションを搭載したロケットに乗り込むことで、それぞれのコストを下げることができるのです。

ランドサット9号と一緒に打ち上げられるキューブサットの1つが「カスプ・プラズマ・イメージング・ディテクター」(CuPID)です。一斤のパンよりも小さく、スイカよりも重いCuPIDには、大きな仕事があります。地表から約340マイル(550キロ)の軌道上で、小さなCuPIDは地球の磁場と太陽の磁場が相互作用する境界を撮影します。

Atz氏は、NASAゴダード宇宙飛行センター(メリーランド州グリーンベルト)、ボストン大学、ドレクセル大学、ジョンズ・ホプキンス大学、メリマク大学、エアロスペース・コーポレーション、アラスカ大学フェアバンクス校などの共同研究者の一員として、CuPIDを実現しました。

ミッションについて

ミッションについて

2020年1月、NASAゴダード宇宙飛行センターで、CuPID宇宙船(Cusp Plasma Imaging Detectorの略)の配線するエンジニア、Emil Atz氏とKenneth M Simms氏。 ©Brian Walsh

地球の磁場によって作られる磁気圏は、私たちの惑星を取り巻く保護のための泡です。ボストン大学の機械工学助教授で、CuPIDの研究責任者であるBrian Walsh氏は、「太陽からのエネルギーや粒子が地球の周りを回っているため、ほとんどの場合、太陽の活動からかなり守られています。」と語ります。

しかし、太陽の活動が活発になると、磁気リコネクションと呼ばれるプロセスで、太陽の磁場が地球の磁場と融合することがあります。地球の磁気圏の形が変わり、太陽の光が私たちに向かって降り注ぎ、人工衛星や宇宙飛行士が危険にさらされる可能性があります。

「CuPIDでは、地球の磁場の境界がどのようになっているのかを知り、エネルギーがどのようにして、なぜ侵入してくるのかを理解したいと考えています。」とWalsh氏は言います。

NASAのMMS(Magnetospheric Multiscale)のようなミッションは、磁気リコネクション現象をミクロな視点で見るために飛行しますが、CuPIDはマクロな視点で見ようとしています。CuPIDは、広視野の軟X線カメラを用いて、太陽粒子が地球の磁気圏に衝突したときに放出される低エネルギーのX線(軟X線)を観測します。

このカメラを作るのは簡単ではありませんでした。X線は可視光のように簡単には曲がらないため、焦点を合わせるのが難しいのです。また、地球を周回しながら地球の磁気境界を撮影するのは、映画館の最前列に座っているようなもので、近すぎて全体像を把握するのが難しいのです。比較的近くから広い視野で撮影するためには、適切なカメラを特別に作る必要があります。

16年前、NASAゴダード宇宙飛行センターとバージニア州ワロップス島にあるワロップス飛行場の科学者、エンジニア、技術者、学生のチームが試作品の開発に着手しました。このカメラは、光を曲げるのではなく、X線を反射させてピントを合わせ、広視野になるように配置された稠密なチャンネルを通過させています。

2012年、ゴダードがCuPIDに貢献したMichael R. Collier博士と、同僚であるDavid G. Sibeck博士、F. Scott Porter博士は、DXL観測ロケットに搭載されたこのカメラを初めて宇宙でテストしました。

「あまりにも成功したので、すぐにそれを小型化してCubeSatに搭載する方法を検討し始めました。」とCollier博士は語っています。

2015年には、CuPIDの前身となるものが2回目の観測ロケットで飛行しました。その直後、このプロジェクトはNASAに選ばれ、アビオニクス2アビオニクス(Avionics, エイヴィオニクス)とは、航空機に搭載され飛行のために使用される電子機器のこと。を搭載した完全な衛星を実現しました。それ以来、学生と科学者はCuPIDの研究を続けています。

ハイリスク・ハイリターン

ハイリスク・ハイリターン

2019年12月、シャーシ(デバイスのベースフレーム)がアビオニクスと出会ったときのCuPIDの写真。©Emil Atz

1999年にカリフォルニア工科州立大学が最初のキューブサットを開発するまで、ほとんどの衛星は車やバスの大きさで、開発と打ち上げには何億ドルもの費用がかかっていたとWalsh氏は言います。このような高額なコストは、リスクを取ることを躊躇させます。新しい実験的なツールが失敗すれば、多額の資金を失うことになるからです。

「キューブサットの本来の目的は、低コストで宇宙の民主化を実現することでした」とCollier博士は言う。

「低コストということは、実験やイノベーションの余地が大きいということです。リスクは高いが、リターンも大きい」とWalshr氏は言います。

小型で実験的な衛星ミッションが増えたことで、学生が実践的な工学プロジェクトに参加する機会も増えました。

自称「宇宙少年」のJacqueline Bachrach氏は、ボストン大学で機械工学を専攻していた1年目に、Walshr氏のロケット工学入門コースを受講しました。その後すぐにWalshr氏の研究室に入り、CuPIDミッションで重要な役割を担うことになりました。

現在3年生のBachrach氏は、「多くの重要な技術を学び、それを他のミッションに応用できるかもしれません。プロジェクトに参加している人たちは皆、多くの知識を持っていて、それを喜んで共有してくれます。特に学部生にとっては、非常に貴重な経験となりました。」と語ります。

これからの旅

チームは、磁気リコネクションの謎を解明するために、すでにCuPIDの準備を進めています。

Atz氏は、衛星が宇宙に到着したら、まず衛星と接触し、データの転送を開始したいと話しています。それには学生も参加します。Atz氏とWalshr氏は、Bachrach氏をはじめとする数名の学部生に、衛星の健康状態を追跡し、軌道上でデータを解釈する訓練を始めています。

「大きなミッションでは、学生が積極的に貢献する機会はあまりありません。CuPIDでは、学生はほとんどすべての段階に関わっています。」

15年以上にわたってCuPIDの開発に携わってきた多くの学生や科学者にとって、最もエキサイティングなことはまだこれからです。

Published by NASA’s Goddard Space Flight Center

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