有人で火星へ打ち上げるには、燃料タンクを満タンにする必要はないかもしれない。MITの新たな研究によると、火星ミッションは月で燃料を補給することで、打ち上げ時の積載量を大幅に軽減できる可能性がある。
これまでの研究では、月の土壌や、月の特定のクレーターにある水氷を採掘して燃料に変換できる可能性が示唆されてきた。火星ミッションの時点でそうした技術が確立されていると仮定すると、MITの研究チームは、燃料補給のために月に立ち寄るルートを取ることで、打ち上げ時のミッションの質量を68％削減できることを明らかにした。
研究チームは、月における資源と燃料製造インフラの利用可能性を前提として、火星への最適ルートを決定するモデルを開発した。その計算に基づき、地球から打ち上げなければならない質量を最小化する最適ルートを特定した。打ち上げ質量は、宇宙探査ミッションにおいて多くの場合、主要なコスト要因となる。
研究チームは、最も質量効率の高い経路を次のように特定した。地球周回軌道に入るのに必要な分の燃料だけを積んで、乗組員を地球から打ち上げる。次に、月面の燃料製造プラントが燃料タンカーを宇宙へ打ち上げ、タンカーは重力軌道に入る。最終的に、火星へ向かう乗組員がタンカーを回収し、近くの燃料補給ステーションに向かって給油したのち、火星へ向かう。
MITで航空宇宙工学およびシステム工学の教授を務めるOlivier de Weck氏は、この計画はNASAのより直接的な「キャリーアロング」ルートから逸脱していると述べている。
「これは、火星への行き方について確立された常識に完全に反しています。その常識とは、火星まで一直線に進み、必要なものはすべて持っていくというものです」とde Weck氏は述べている。「月の系への寄り道をするという発想は……非常に直感に反します。しかし、最適なネットワークと大局的な視点から見れば、地球からすべてを運ぶ必要がなくなるため、長期的には非常に手頃なものになりうるのです」
これらの結果は、現在MITでポスドクを務めるTakuto Ishimatsu氏の博士論文に基づいており、 学術誌『Journal of Spacecraft and Rockets』に掲載されている。
遠方への戦略
これまで宇宙探査プログラムは、乗組員に資源を供給するために主に2つの戦略を採用してきた。1つは「キャリーアロング」方式で、アポロ計画の月ミッションのように、すべての機材と資源を常に乗組員とともに輸送する。もう1つは「補給戦略」で、国際宇宙ステーションへの宇宙飛行のように、資源を定期的に補充する。
しかし、人類が地球周回軌道を越えて探査を進めるにつれ、こうした戦略は持続可能ではなくなる可能性がある。de Weck氏とIshimatsu氏は次のように記している。「予算が限られ、目的地が地球から遠く離れている中で、綿密に計画された物流戦略が不可欠となる。」
研究チームは、火星やその他の遠方の目的地へのミッションは、「その場資源利用（in-situ resource utilization）」に依拠した補給戦略から恩恵を受ける可能性があると提案している。これは、燃料や、水・酸素などの物資といった資源を、宇宙探査のルートに沿って製造・収集できるという考え方である。宇宙で生産された資材は、そうでなければ地球から輸送されていたはずの資材に取って代わることになる。
例えば、採掘・加工してロケット燃料にできる可能性のある水氷は、火星と月の両方で発見されている。
「これらの資源が利用可能であることには、かなり高い確信がある」とde Weck氏は述べている。「その資源を抽出できたとして、それをどうするのか。この問いを検討した人はほとんどいない。」
宇宙にネットワークを構築する
宇宙にある燃料資源やインフラが有人火星ミッションに役立つかどうかを検証するため、Ishimatsu氏は、火星への様々なルートを検討するネットワークフローモデルを開発した。対象は、直接的な携行型飛行から、途中の一連の燃料補給の中継地点を経由するルートまでに及ぶ。このモデルの目的は、燃料製造プラントの質量や、事前に配置しておく必要のある予備部品の質量を含めた場合でも、地球から打ち上げる質量を最小化することであった。
このアプローチは、宇宙の供給網における燃料などの貨物や物資の移動をモデル化するものである。Ishimatsu氏は、車両の経路設定における従来のモデルを改良した新たな数学モデルを開発した。さらに、宇宙飛行に固有の制約を考慮して、宇宙での長期ミッションというより複雑な状況に合わせてこのモデルを適応させた。
このモデルは、月で燃料を加工し、月から宇宙の会合地点まで輸送できる将来のシナリオを想定している。同様に、このモデルは、燃料デポが「ラグランジュ点」と呼ばれる、重力的に束縛された宇宙の特定の地点に設置できることを前提としている。重量制限の設定などのミッション目標が与えられると、このモデルは供給網における最適なルートを特定するとともに、基本的な物理法則の制約も満たす。
Ishimatsu氏は、本研究が宇宙で資源を生産するインフラを確立することの重要性を示していると述べている。同氏は、そのようなインフラは火星への最初の旅には必要ないかもしれないと強調する。しかし、宇宙の資源ネットワークがあれば、人類は持続可能な方法でその旅を繰り返し行えるようになる。
「私たちの究極の目標は、火星に植民し、そこに恒久的で自立した人類の存在を確立することです」とIshimatsu氏は述べている。「しかし、同様に重要なこととして、私は、天体間を手頃な方法で移動できるよう、宇宙に『道を敷く』必要があると考えています。」
「この最適化は、月が私たちを繰り返し、かつ持続可能な形で火星へ送り届けるうえで大きな役割を果たしうることを示唆しています」とde Weck氏は付け加えている。「人々は以前からそれを示唆してきましたが、なぜそれが正しい答えなのかを数学的に示す初の決定的な論文だと、私たちは考えています。」
NASAの有人探査・運用担当副長官であるWilliam Gerstenmaier氏は、火星への道中とそこに到着した後の両方で、どのような資源が利用可能かを理解することは、「低地球軌道を超えた人類の持続的な存在にとって不可欠である」と述べている。
「この論文は、水やその他の貴重な宇宙資源を活用することで、太陽系における人類の探査コストを引き下げられることを明確に示している」と、本研究には関与していないGerstenmaier氏は述べている。。「NASAは以前、火星の資源を利用して火星での推進剤の需要を減らす計画を立てていた。今回の研究は、他の研究とともに、月の資源を利用することの潜在的な利点も示している。」
本記事は、 MIT Newsとの協力により掲載されています。掲載は、世界経済フォーラムが見解を支持することを意味するものではありません。
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著者：Jennifer Chu氏は、MIT Newsのライターです。
写真：壁に映し出された火星の画像とともにポーズをとる少年。REUTERS/Ali Jarekji。
