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2026-03-16 19:28:00
ロケットを打ち上げるときはすべてのオンスが重要であるため、すべてのコンポーネントのサイズ、重量、出力 (SWaP) を考慮することが非常に重要です。何十年もの間、宇宙船で最も重く、最も電力を必要とするコンポーネントの 1 つは、光学および通信ハードウェア、特に LiDAR や自由空間レーザー通信に使用される大型の機械ミラーでした。しかし、MIT、MITRE、サンディア国立研究所の研究者によって Nature に発表された新しい論文は、LiDAR システムの SWaP に関する考慮事項を根本的に変えた可能性があります。 「光子スキージャンプ」と呼ばれる彼らの技術は、いつか宇宙船の通信方法に革命を起こす可能性がある。
この論文で説明されているテクノロジーの核心は、フォトニクスの革新です。コンピューターチップから光を取り出して世界に出すには、エンジニアは通常、イライラするトレードオフに依存する必要があります。これらは回折光学系またはマイクロメカニカル スキャナーのいずれかを使用しますが、それぞれに独自の欠点があります。回折光学系は拡張が容易ですが、ビーム品質が劣ります。一方、マイクロメカニカルセンサーは物理的に巨大で、特に宇宙船では簡単に拡張できません。
新しい「スキージャンプ」は彼らの弱点を完全に回避します。これは、圧電制御されたマイクロカンチレバーに直接統合されたナノスケールの光導波路であり、チップ自体から離陸する一連の小型の「スキージャンプ台」のように見えます。これは標準的な 200 mm CMOS ファウンドリで製造されており、チップのさまざまな層の冷却の間に熱力を利用して、カンチレバーをチップ表面から真上に 90 度の角度で湾曲させます。
発明者の 1 人がスキー ジャンプ技術について話し合っているビデオ。クレジット – MIT MIcrosystems Technology Laboratories YouTube チャンネル
スキージャンプ台の底部にある電極に交流電圧を印加すると、ジャンプ台の端の先端がキロヘルツの速度で揺れ動きます。研究者らはこれを利用して、0.1 mm 平方未満の設置面積で、自由空間の特定の点に正確に制御された何千ものレーザー ビームを発射できるデバイスを作成しました。これは、塩粒の半分のサイズの領域に 30,000 ピクセルの画像を描画できるのと同等です。
この技術のすぐに思い浮かぶ応用例としては、ユーザーの周囲の領域に超解像度の画像を表示できる拡張現実メガネなどが挙げられます。しかし、著者らは元々、量子コンピューティングの問題を解決するためにこのシステムを開発していました。数百万の物理量子ビット (ビットの量子コンピューティング形式) を制御するには、研究者は正確に配置された何百万ものレーザーを必要とします。それがまさに新しいフォトニクス システムが提供するものです。
システムが機能することを証明するために、研究者らは一連の非常に安定したフルカラーの画像とビデオをチップの表面からそれほど遠くない自由空間に投影し、本質的に非常に高解像度の 2D ホログラムを作成しました。彼らはまた、量子チップ内の単一シリコン空孔の状態を直接検出するためにシステムをクライオスタット内に設置しました。これは量子コンピューティングにとって大きな進歩であり、このシステムを開発した主な理由です。
しかし、このテクノロジーの本当の「キラーアプリ」は、LiDAR にあるかもしれません。現在、レーザーを使用して周囲をスキャンし、物体までの距離を決定的に検出する LiDAR システムは、主に自動運転車での使用で有名です。通常、LiDAR システムは上部に配置される回転部品です。ただし、軌道上や着陸時に他の物体と非常に密接に接触する必要がある宇宙船としてのドローンでも役立ちます。
LiDARの概念を説明するビデオ。クレジット – Phoenix LiDAR Systems YouTube チャンネル
LiDAR の欠点は、そのサイズと消費電力です。それらは重く、かさばり、比較的壊れやすく、大量の力を必要とします。新しいスキージャンプフォトニクスシステムは、少なくとも理論的には、将来のLiDARシステムに関するこれらの問題のすべてではないにしても、ほとんどを解決するでしょう。しかし、まず実験室から出なければなりません。このようなシステムはまだ初期段階にあり、大衆市場にアピールできるため、おそらく最初のアプリケーションは拡張現実メガネになるでしょう。宇宙探査は少し待たなければならないかもしれないが、この技術が最終的に採用されることは、打ち上げや放射線の厳しさに耐えることができれば、宇宙船の至近距離での航行方法に大きな変革をもたらす可能性がある。
もっと詳しく知る：
MIT ニュース – 新しいフォトニックデバイスは自由空間に効率的に光を照射します
M.サハら。 – ナノフォトニクス導波路チップから世界へのビーム走査
UT – 科学者らがスペースデブリ汚染の初の直接測定結果を発表
UT – これらはオシリス・レックスがベンヌの地表に到達するために使用する巨石です
#極小のスキージャンプで宇宙船LiDARがマイクロチップサイズに縮小する可能性