宇宙へ行くヴァンタブラック：超黒色コーティングが衛星を暗くし、夜空を守る可能性
注目画像： チリのヴェラ・C・ルービン天文台。そのサーベイでは最大40%の画像が衛星の筋によって劣化する可能性がある。クレジット：Rubin Observatory/NOIRLab/NSF/AURA/H。
低軌道にある活動中の衛星の数は2万基に迫り、今後数年間で最大170万機もの宇宙機が提案されている。それぞれが太陽光を反射し、天文画像に明るい筋を生み出し、遠方の銀河のかすかな光を洗い流そうとする人工的な輝きを夜空に加えている。
王立天文学会月報に掲載された新しい研究は、これまでで最も実用的な解決策の一つを提示している。入射光のわずか2%しか反射せず、エンジニアが自社施設でスプレー塗装できる超黒色塗料で衛星をコーティングするというものだ。
このコーティング、ヴァンタブラック310は、サリー大学のスピンオフ企業であるSurrey NanoSystemsによって製造されている。クリーンルームで育成された繊細なカーボンナノチューブの森を使用していたオリジナルのヴァンタブラックとは異なり、ヴァンタブラック310はスプレー可能なカーボンブラック系塗料であり、取り扱い、打ち上げ時の振動、そして少なくとも3年間の軌道上運用に耐えられる耐久性を備えている。
「衛星コンステレーションは計り知れない利益をもたらしますが、その明るさの増大は地上天文学にとって課題となっています」と、Surrey NanoSystemsのアプリケーションサイエンティスト、ジェームズ・ホイットフィールド氏はプレスリリースで述べている。「ヴァンタブラック310は、広い視野角にわたる超黒色性能と、低軌道に必要な耐久性を兼ね備えています。」
衛星の明るさが重要な理由
問題は、望遠鏡の画像を横切る目に見える筋だけではない。衛星コンステレーションは夜空の全体的な拡散輝度も増加させ、微弱な天体の検出をより困難にしている。チリのヴェラ・C・ルービン天文台は、10年間のLegacy Survey of Space and Timeで地球近傍小惑星から過渡的超新星までをカタログ化する予定だが、特に脆弱である。天文学者らは、衛星コンステレーションがルービンの画像の最大40%を劣化させる可能性があると推定している。
スターリンク衛星は現在、等級3から5の範囲で、暗い空の下では肉眼で見える。国際天文学連合は、衛星が光学補助なしではほぼ見えなくなる明るさ制限を推奨している。研究者らの計算によれば、ヴァンタブラック310は衛星をその目標に近づける。
サリー大学の大学院研究員であるアスタ・チャトゥルヴェディが主導した研究では、ヴァンタブラック310を実験室で様々な照明角度の下でテストし、コーティングされた衛星が空を移動する際にどのように見えるかをシミュレートした。このコーティングは全ての入射角で光学性能を維持し、研磨された衛星表面を悩ませる明るいきらめきやフレアを回避する。吸収されなかった光は拡散散乱され、最も目立つ明るさを生み出す鏡面反射を排除する。
カーボンナノチューブからスプレー可能な塗料へ
2014年に発表されたオリジナルのヴァンタブラックは、入射光の99.96%を吸収した。それはこれまでに作られた最も黒い素材だったが、脆くもあった。カーボンナノチューブ構造は触れると崩壊し、特殊な施設での制御された化学気相成長を必要とした。大量の衛星生産には適さなかった。
ヴァンタブラック310は、吸収性能の一部を劇的に向上した実用性と引き換えにしている。約2%の反射率でありながら、通常約5%の入射光を反射する従来の宇宙用塗料よりもはるかに暗い。しかしオリジナルとは異なり、衛星製造業者自身が従来のスプレー設備を使用して塗布できる。
310シリーズはまた、スターリンク衛星を暗くするスペースXの初期の試みを悩ませた熱管理問題にも対処している。スペースXのDarkSatコーティングは、塗料が熱を効果的に放射せずに太陽光を吸収したため、過熱を引き起こした。ヴァンタブラック310の独自バインダーは吸収率と放射率の両方を高め、コーティングされた表面を1天文単位で約5度の熱平衡に近づける。
3年間の軌道運用をシミュレートした耐久性テストでは、ヴァンタブラック310は無視できる程度の劣化しか示さなかった。競合する宇宙用塗料は、研究者らが報告したところによると、同じシミュレーション条件下で「完全に侵食された」。
Jovian-1：軌道テスト
次のステップは実際の飛行実証である。サリー大学、ポーツマス大学、サウサンプトン大学による学生主導ミッションのCubeSat Jovian-1は、太陽電池パネルの一部にヴァンタブラック310をコーティングして搭載する。衛星は回転し、地上の望遠鏡が複数の角度からその明るさを測定する。
チャトゥルヴェディは、ウィーンで開催される2026年国連ダーク・アンド・クワイエット・スカイズ・ワークショップでチームの研究成果を発表する予定であり、そこでは衛星の明るさ規制に関する政策提言が策定されている。この研究は、Surrey NanoSystemsとサリー大学先端技術研究所の研究者らによって共同執筆された。
「夜空は人類が宇宙を見渡す最も古い窓の一つですが、物を見ることがますます難しくなっています」とチャトゥルヴェディは述べた。「私たちの結果は、比較的単純な材料選択が、ミッション設計に大きな変更を加えることなく、衛星が天文観測に与える影響に意味のある違いをもたらす可能性があることを示しています。」
サリー大学の天体物理学上級講師であるノエリア・ノエル博士は、問題の緊急性を次のように述べている：「過去5年間に、人類は過去60年間よりも多くの衛星を宇宙に打ち上げました。」
衛星事業者が自主的にこのコーティングを採用するかどうかは、まだ疑問が残る。ヴァンタブラック310は衛星生産にコストと質量を追加し、最大手の事業者は規制当局が要求する以上の緩和策に対して限られた熱意しか示していない。しかし、この研究は、これまで議論に欠けていたもの、すなわち、衛星自体を再設計することなく衛星光害の最悪の影響を有意義に軽減できる、テスト済みで市販されており宇宙認定されたコーティングを提供している。
翻訳：雅子