Solar Sail Interplanetary Transfer: Part I - Earth-Mars Rendezvous Using Evolutionary Neural Network

深宇宙探査は、長らく化学ロケットの領域でした。それは、宇宙船を前進させるために大量の燃料を燃やし尽くし、その後の旅路のほとんどを慣性走行で過ごす巨大なエンジンによるものです。しかし、燃料を全く必要としない、異なる種類の推進力が登場しました。推進剤を燃やす代わりに、これらの宇宙船は太陽光自体の圧力を利用します。宇宙に浮かぶ巨大で輝く鏡を想像してみてください。太陽からの光子（フォトン）がその表面に衝突すると、それらは微量な運動量を伝え、宇宙船を前へと押し進めます。これがソーラーセイルです。この概念は近年、日本や米国、その他の組織によるミッションによって検証されてきましたが、この穏やかで継続的な押しを、別の惑星への精密な経路へと変えることは、依然として手強い課題です。関わる数学は非常に複雑であり、非線形なひねりに満ちているため、従来のコンピュータにとって完璧なルートを見つけ出すことを困難にしています。もし宇宙船がわずかでも目標から外れれば、永遠に標的を通り過ぎて漂流してしまう可能性があるのです。

これを解決するために、研究者のレヌガンタ・バラタラジュ、アミルル・フィクリ・アブドラ、そしてユーリ・ラズムニーは、これらの旅を計画するための新しい方法を開発しました。彼らは2つの強力なツールを組み合わせました。一つは、自然選択のプロセスを模倣して数千もの可能な解決策をテストする「進化アルゴリズム」であり、もう一つは、人間の脳に触発された、意思決定を学習できるタイプのコンピュータプログラムである「ニューラルネットワーク」です。研究の中で、彼らはこのハイブリッドシステムが、ソーラーセイルを地球から火星へと導けるかどうかを検証しました。彼らは物理的な船を作ったのではなく、代わりに太陽系の詳細なデジタルシミュレーションを作成しました。この仮想環境において、彼らはコンピュータに対し、火星に到着する際に適切な速度と位置で惑星に遭遇できるよう、セイルの最適な操舵角度を見つけ出すという任務を与えました。目標は、目的地に到達するまでの時間を最小限に抑えつつ、宇宙船が標的を通り過ぎすぎたり、遅れすぎたりしないようにすることでした。

研究者たちは、性能レベルが異なる3種類のソーラーセイルを想定して、彼らの手法をテストしました。最初のシナリオでは、強い推進力を生み出すことができる、非常に効率の高いセイルを使用しました。この場合、コンピュータは宇宙船を400日足らずで火星に到達させる航路を正常に描き出しました。2番目のテストでは、最初のセイルの半分の性能を持つセイルを使用しました。これはより困難であり、コンピュータは経路を見つけるためにより懸命に働く必要があり、旅には600日近くを要しました。最後にして最も困難なテストでは、最初の推進力のほんの一部しか生み出せない、非常に低性能なセイルを扱いました。ここでは、旅は2,400日近くまで延びました。これらの結果は、宇宙船の性能が非常に低い場合でも、システムが解決策を見つけられることを示しましたが、目的地に到達するためには大幅に長い時間を要しました。

彼らの発見の鍵となる部分は、コンピュータがどのように航行を学習するかに関わるものでした。研究者たちは、コンピュータが進捗を確認するために使用するデータポイントの数が、極めて重要であることを発見しました。チェックポイントの数が少ない場合、コンピュータは迅速に経路を見つけることができますが、到着の精度は低くなります。チェックポイントの数を増やした場合、コンピュータはより微細な調整を行うことができ、到着速度の精度が向上しました。しかし、彼らはトレードオフがあることも発見しました。チェックポイントを増やすことが、必ずしもミッション全体を良くするとは限りませんでした。場合によっては、到着時の速度を改善することは、宇宙船が惑星から少し離れた距離に到着することを意味したり、あるいは総移動時間が増加したりすることを意味しました。システムは、設定次第で一つの目標を別の目標よりも優先するように見えるのです。これは、あらゆるミッションに対して単一の「完璧な」設定が存在するわけではなく、代わりにミッションプランナーは、計算能力と特定の旅の要件との間で、精密さと引き換えに何を優先するかをバランスさせる必要があることを示唆しています。

この研究は、進化型ニューラルネットワークのアプローチが、ソーラーセイルの航行という複雑なパズルを解くための実行可能な方法であることを証明しています。コンピュータに広大な可能性の範囲を探索させ、失敗から学ばせることで、従来の手法では見逃してしまうようなルートを見つけ出すことができます。研究者たちは、この手法が、たとえ低性能なセイルであっても、火星への旅においてうまく機能すること、そして異なるミッションの制約に適応できることを示しました。現在の結果はコンピュータシミュレーションに限られていますが、このフレームワークは柔軟に設計されています。これは、他の惑星や小惑星へのミッションにも適応できる可能性があり、太陽の力を使って太陽系を旅しようとする未来の探査者たちに新たなツールを提供することになるでしょう。彼らの研究は、適切な計算ツールがあれば、日光の穏やかな押しを利用して、世界間の広大な距離を越えて宇宙船を導くことができるということを裏付けています。