宇宙がますます混雑する中、地球を周回する物体を追跡することがますます困難になっています。アメリカ航空宇宙局（NASA）は現在、特に非常規な構想に資金を提供しており、この構想は最終的にロボットとモジュラー超材料を利用して宇宙に巨大なレーダーアンテナを構築するのに役立つ可能性があります。この概念はデューク大学の電気およびコンピュータ工学の教授デイビッド・スミス（David Smith）によって主導され、2026年のNASAの革新先進概念（NIAC）第一段階研究プロジェクトに選ばれました。このプロジェクトは「ロボット組立による電磁超材料を用いた長距離宇宙状況認識の促進」と名付けられています。
これはまだ研究の概念であり、実際に機能する宇宙レーダーではありません。第一段階の作業は、この方法の基本原理が最終的に実現可能になるかどうかを確認することを目的としています。
NASAの新構想が宇宙監視の方法を変える可能性
なぜ宇宙にレーダーを建設する必要があるのでしょうか？既存の宇宙監視ネットワークは、強力な地上レーダーを使用して軌道上の物体を追跡しています。NASAによれば、アップグレード版のスペースフェンス（Space Fence）などのシステムは、低地球軌道上の約4インチ（約10センチメートル）の物体を追跡することができます。しかし、より小さな物体や、より遠くの宇宙船を監視することは非常に困難です。基本的な物理学がこの問題を引き起こしています。目標が遠くなるほど、レーダーの有効開口は、与えられた探知性能を達成するために大きくする必要があります。低地球軌道を超える物体に関しては、NASAは地上アレイのサイズ要件が非現実的になる可能性があると指摘しています。
レーダーを物体に近づけることが役立つかもしれませんが、従来の宇宙アンテナには明確な制限があります。それは、打ち上げに耐えられ、ロケットの使用可能なスペースに適合する必要があるということです。
ここから不尋常な部分が始まります。もしアンテナが打ち上げ後に建設されるとしたらどうなるでしょうか？スミスの構想は、その構成要素を宇宙に送信し、そこでロボットによって組み立てることです。NASAは、ARMADAS（自動再構成可能な任務適応デジタル組立システム）を通じて関連技術を開発しています。このプロジェクトは、比較的単純なロボットを使用して「ボクセル」（voxels）と呼ばれる標準化された構造ブロックを組み立てます。NASAのデモでは、3台のロボットが自律的に数百のこれらのブロックを組み立て、小屋と同じくらいの大きさの構造を作成しました。
これらのロボットは、尺蠖のように操作し、モジュールを運搬、配置、固定します。したがって、この構想は巨大なアンテナを軌道に送るというアイデアとは異なり、建設キットを送るようなものです。
超材料が登場するのは、これらの建築ブロックが単なる金属片ではないからです。スミスは電磁超材料に焦点を当てており、これらは人工的に構造化された材料で、その幾何学的形状は電磁波と異常な方法で相互作用するように設計されています。彼のデューク大学のチームは、2006年にマイクロ波周波数の超材料「隠形斗篷」を著名にデモンストレーションし、工学構造が従来の材料では達成できない方法で電磁波を操ることができることを示しました。NASAのこの概念において、超材料は巨大な電磁開口の構築ブロックとして効果的に機能します。研究者は、多くの小型電磁素子を組み合わせて、アンテナを巨大な従来の構造としてではなく、より大きなシステムとして組み立てることができます。
NASAは、このプロジェクトが数値モデルを使用した超材料設計を調査し、ARMADASが示したロボット組立の実際の制約を考慮に入れると述べています。
大型モジュラー構造が直面する課題と未来の可能性
なぜそれを巨大にする必要があるのでしょうか？レーダーや他の電磁センサーシステムにとって、より大きな開口は解像度と感度の利点を提供します。NASAは、開口サイズを増加させることでビーム指向、レーダー、観測ミッションの性能が向上すると指摘しています。これにより、宇宙で組み立てられたシステムが、ますます遠くまたは検出が難しい物体を追跡するのに役立つ可能性があります。この概念は必ずしも残骸追跡に限らず、NASAは同じ設計原則が最終的に地球観測や深宇宙通信のための巨大開口機器にも適用される可能性があると述べています。
しかし、この構想は重大な未解決の問題にも直面しています。数千または数百万のモジュールで構成される巨大構造は、軌道上で機械的および電気的な信頼性を維持する必要があります。個々の部品は微小隕石や軌道残骸によって損傷を受ける可能性があり、その構造は熱サイクルや厳しい宇宙環境に耐える必要があります。特に挑戦的な側面は、レーダーが監視するために設計された同じ残骸で満たされた環境で動作しなければならないことです。大型モジュラー構造は、追跡対象の高速残骸に衝突される可能性があり、損傷した超材料部品をどのように交換するか、局所的な故障が全体のアンテナに影響を与えるかどうかについての問題が提起されています。
これはNASAがその第一段階の説明で指摘した制限ではありませんが、もしこの概念が研究段階を超えるならば、答えるべき実際的な問題を示しています。NASAのARMADASプロジェクトは、自律的な建設と再構築を探求していますが、そのデモ構造は先進的な宇宙センサーのために想定された巨大な口径に比べて、依然として実験室規模に留まっています。これが新しいプロジェクトの魅力であり、主に独立して開発された三つの技術、すなわち超材料、自律ロボット建設、大型宇宙構造を組み合わせています。この概念が成功裏に実現すれば、最大の突破口は単により良いレーダーではなく、これらのインフラを単一の巨大な機械として打ち上げることなく、軌道上で新しい方法で巨大なインフラを建設できることかもしれません。