火星へ旅行してみませんか? 旅にかかる時間はどのくらいでしょうか。

スタートレックのワープスピードの旅が私たちに信じさせようとしているにもかかわらず、惑星間旅行は相当な道のりです。火星に行くのを例に挙げましょう。NASA や他の宇宙機関が赤い惑星に送った探査機は、目的地に到着するまでに約 7 か月宇宙に滞在します。人間の旅行はおそらくもっと長く、おそらく数年単位のタイムスケールになるでしょう。

人間の乗組員が生き残るために必要とするものはロボットにはないものがたくさんある。たとえば、食料、水、酸素、帰還のための十分な物資などだ。こうした物資の重さは宇宙船の速度を低下させる可能性がある。現在の技術では、NASA の計算では、火星への有人ミッションと火星表面での滞在時間は 2 年から 3 年かかると見積もられている。「3 年は確実に実現可能であるとわかっています」と、NASA の有人探査および運用ミッション局で火星アーキテクチャ チームを率いるミシェル ラッカーは言う。

しかしNASAは、その期間を短縮することを目指している。その理由の1つは、火星ミッションが人間にとってより安全になるためだ。人間の体が長期間の宇宙環境にどの程度耐えられるかはまだわかっていないからだ。（宇宙で連続して過ごした最長日数記録は437日である。）NASAは、より迅速な宇宙旅行を可能にする可能性のある新しい推進技術を開発するプロジェクトに投資している。

火星への曲がりくねった道

SFの世界では、宇宙船は地球から飛び立ち、火星へ直行します。その軌道なら、確かに旅は早くなります。しかし、現実の宇宙旅行は、A地点からB地点へ移動するよりもずっと複雑です。

「もし望むだけの推進力があれば、宇宙に重力があるという事実を無視して、太陽系を突き進むこともできる」と、2011年から2013年までNASAの主任技術者を務めたコーネル大学の宇宙飛行学教授メイソン・ペック氏は言う。「しかし、それは現時点では不可能なシナリオだ」

このような直線軌道にはいくつかの課題がある。宇宙船が地球から離陸すると、惑星の重力から逃れる必要があり、かなりの推力が必要となる。その後、宇宙では、地球、火星、太陽の重力が宇宙船をさまざまな方向に引っ張る。十分に離れると、太陽の周りの軌道に落ち着く。その重力に逆らうには、燃料を大量に消費する操縦が必要となる。

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2 つ目の課題は、惑星が一定の場所に留まっていないことです。惑星はそれぞれ独自の速度で太陽の周りを回っています。つまり、宇宙船が打ち上げられたときの火星は、たとえば 7 か月後の赤い惑星と同じ距離に地球からあるわけではありません。

そのため、火星への最も燃料効率の良いルートは、太陽の周りを楕円軌道で回るルートだとペック氏は言う。片道だけでも、そのルートは数億マイルをカバーし、最長で半年以上かかる。

しかし、赤い惑星への有人ミッションを設計することは、宇宙船がどれだけ速くそこに行き、戻ってくるかを考えることだけではありません。それは「バランス」の問題だと、NASA の火星アーキテクチャ チームの宇宙推進リーダーであるパトリック チャイは言います。「特定のものを最適化する方法について、私たちがしなければならない決定はたくさんあります。どこでパフォーマンスを時間のためにトレードオフするか」とチャイは言います。「1 つの指標だけを見ると、その特定の指標では非常に優れた決定を下すことになりかねませんが、他の領域では問題になる可能性があります。」

速度を犠牲にする大きな要因の 1 つは、搭載する物の量です。現在の技術では、火星への旅程を短縮するためのあらゆる操作には、より多くの燃料が必要になります。

車を運転する人なら、車を加速させるためにはアクセルを踏むことを知っているでしょう。宇宙船でも同じことが言えますが、ブレーキと方向転換にも燃料が使われます。たとえば、減速するためには、宇宙船は前進方向と反対方向にスラスタを噴射します。

しかし、宇宙にはガソリンスタンドはありません。燃料が増えるということは、搭載する質量が増えるということです。そして質量が増えると、その余分な質量を空中で推進するためにより多くの燃料が必要になります…などなど。往復ミッションを 2 年に短縮すると、このトレードオフが飛躍的に効率が悪くなり始めるとラッカー氏は言います。少なくとも、現在の技術ではそうです。

旅行をスピードアップする新技術

NASA は、この期間を大幅に短縮したいと考えています。2018 年に NASA は、地球から火星まで 45 日以内に飛行する小規模な無人ミッションを可能にする技術システムの提案を要請しました。

当時、この提案はあまり支持されなかった。しかし、この挑戦​​はエンジニアたちに、まだ存在していない革新的な推進システムを設計するインスピレーションを与えた。そして今、NASA は有力候補の開発に資金提供を開始した。特に、同宇宙機関は原子力推進に注目している。

現在、宇宙船は主に化学推進に頼っている。「基本的には酸化剤と燃料を混ぜて燃焼させ、熱を発生させます。その熱せられた物質をノズルを通して加速し、推力を発生させます」とNASAのチャイ氏は説明する。

原子力ベースのシステムは化学ロケットよりも大幅に少ない燃料でより大きな推力を生み出せることをエンジニアたちは何十年も前から知っていた。ただ、まだそのようなシステムは作られていない。しかし、状況はもうすぐ変わるかもしれない。

NASAの核投資プロジェクトの1つは、核熱エンジンを実験用宇宙船に統合することを目指している。機敏な地球周回軌道運用のための実証ロケット（DRACO）プログラムは、国防高等研究計画局（DARPA）との共同プロジェクトであり、早ければ2027年に成果の技術を実証することを目指している。

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しかし、火星への最速旅行は別のプロジェクトから生まれるかもしれない。フロリダ大学の研究者の発案でNASAの助成金も受けているこの構想は、チャイ氏が「核推進の聖杯」と呼ぶもの、つまり核熱推進と電気推進を組み合わせたシステムを実現しようとしている。

「予備分析を行ったところ、45日にかなり近づけそうです」と、フロリダ大学の社内応用研究プログラムであるフロリダ応用工学研究 (FLARE) の教授で、このプロジェクトのリーダーであるライアン・ゴッセ氏は言う。ただし、このタイムラインは、搭載するペイロードが軽く、人間が乗っていない場合のものだ。しかし、このプロジェクトが成功すれば、将来的にはこの技術を拡張して有人ミッションに対応できる可能性がある。

原子力推進には 2 つのタイプがあり、それぞれに長所があります。熱を使用する原子力熱推進は、少量の燃料から大量の推力を素早く生成できます。荷電粒子を使用する原子力電気推進は、さらに燃料効率に優れていますが、推力の生成ははるかに遅くなります。

「深宇宙にいる間は、電気推進は本当に素晴らしいです。なぜなら、推進する時間はいくらでもあるからです。効率、つまりガロン当たりのマイル数は、高推力のものよりはるかに優れています」とチャイ氏は言う。「しかし、惑星の周りでは、重力の井戸から抜け出すためにその推進力が必要になります。」

しかし、ゴッセ氏によると、課題は、現在、両方の技術に異なるタイプの原子炉が必要であることだ。つまり、2つの別々のシステムが必要となり、原子力推進システムの効率が低下する。そこでゴッセ氏と彼のチームは、1つのシステムで両方のタイプの推進力を生成できる技術の開発に取り組んでいる。

NASAの火星建築チームも、惑星の周りを移動するために化学推進システムを使用し、深宇宙での推進には太陽光発電電気推進を使用するというバイモーダルコンセプトに取り組んでいる。

「私たちが開発しているのは、ツールボックス用のさまざまなツールです」とNASAのラッカー氏は言う。「私たちがやりたい探査のすべてを行うには、1つのツールだけでは不十分です。そのため、私たちはこれらすべてに取り組んでいます。」