宇宙旅行の次の時代には原子力ロケットが含まれるべきである

イアン・ボイドはコロラド大学ボルダー校の航空宇宙工学科学教授です。この記事はもともと The Conversation に掲載されました。

NASA とイーロン・マスクの両者が火星への夢を抱く中、宇宙を巡る長距離有人ミッションが近づいている。しかし、現代のロケットは過去のロケットと比べてそれほど速度が速くないという事実に驚かれるかもしれない。

より高速な宇宙船が優れている理由は数多くあり、原子力ロケットはそれを実現する方法の 1 つです。原子力ロケットは従来の燃料燃焼ロケットや現代の太陽光発電ロケットに比べて多くの利点がありますが、過去 40 年間で米国が原子炉を搭載した宇宙打ち上げを行ったのはわずか 8 回だけです。

しかし、昨年、原子力宇宙飛行を規制する法律が改正され、この次世代ロケットの開発がすでに始まっている。

なぜスピードが必要なのでしょうか?

宇宙旅行の最初のステップは、打ち上げロケットを使用して宇宙船を軌道に乗せることです。ロケット打ち上げといえば、燃料を燃焼させる大型エンジンを思い浮かべるでしょうが、重力の制約があるため、近い将来になくなる可能性は低いでしょう。

宇宙船が宇宙に到達すると、物事が面白くなります。地球の重力から逃れて深宇宙の目的地に到達するには、船はさらに加速する必要があります。ここで原子力システムが役立ちます。宇宙飛行士が月や火星よりも遠くを探索したい場合、非常に高速で移動する必要があります。宇宙は広大で、すべてが遠くにあります。

より高速なロケットが長距離宇宙旅行に適している理由は 2 つあります。安全性と時間です。

火星へ旅する宇宙飛行士は、非常に高いレベルの放射線にさらされることになります。これは、ガンや不妊症など、長期にわたる深刻な健康問題を引き起こす可能性があります。放射線遮蔽は役立ちますが、非常に重いため、ミッションが長くなるほど、より多くの遮蔽が必要になります。放射線被曝を減らすより良い方法は、目的地に早く到着することです。

しかし、人間の安全だけが利点ではない。宇宙機関が宇宙のさらに遠くまで探査するにつれ、無人ミッションからできるだけ早くデータを取得することが重要になる。ボイジャー2号は海王星に到達するだけで12年かかり、海王星を通過する際に素晴らしい写真を撮影した。ボイジャー2号の推進システムがもっと高速であれば、天文学者はそれらの写真とそこに含まれていた情報を何年も前に入手できたかもしれない。

スピードは良いことです。しかし、なぜ原子力システムの方が速いのでしょうか?

今日のシステム

船が地球の重力から脱出すると、推進システムを比較する際に考慮すべき重要な側面が 3 つあります。

• 推力 = システムが船をどれだけ速く加速できるか
• 質量効率 = システムが一定量の燃料でどれだけの推力を生み出すことができるか
• エネルギー密度 = 一定量の燃料からどれだけのエネルギーを生み出せるか

現在、最も一般的に使用されている推進システムは、化学推進（つまり、通常の燃料燃焼ロケット）と太陽光発電による電気推進システムです。

化学推進システムは大きな推力を発揮しますが、化学ロケットは特に効率的ではなく、ロケット燃料はそれほどエネルギー密度が高くありません。宇宙飛行士を月まで運んだサターン V ロケットは、打ち上げ時に 3,500 万ニュートンの力を生み出し、95 万ガロンの燃料を搭載しました。燃料のほとんどはロケットを軌道に乗せるために使用されましたが、限界は明らかです。どこかに到達するには大量の重質燃料が必要です。

電気推進システムは、太陽電池パネルから発電した電気を使用して推進力を生成します。最も一般的な方法は、ホールスラスタなどの電場を使用してイオンを加速することです。これらの装置は、衛星の動力源としてよく使用され、化学システムよりも 5 倍以上の質量効率を実現できます。ただし、生成される推進力ははるかに小さく、約 3 ニュートン、つまり車を約 2 時間半で時速 0 マイルから 60 マイルまで加速できる程度です。エネルギー源である太陽は、基本的に無限ですが、宇宙船が太陽から遠ざかるほど、その有用性は低くなります。

原子力ロケットが有望な理由の 1 つは、信じられないほどのエネルギー密度を備えていることです。原子炉で使用されるウラン燃料のエネルギー密度は、一般的な化学ロケット推進剤であるヒドラジンの 400 万倍です。何十万ガロンもの燃料よりも、少量のウランを宇宙に運ぶ方がはるかに簡単です。

では、推力と質量効率はどうでしょうか?

核に関する2つの選択肢

エンジニアたちは宇宙旅行用に主に 2 種類の原子力システムを設計しました。

1 つ目は核熱推進と呼ばれるものです。このシステムは非常に強力で、効率も中程度です。原子力潜水艦に搭載されているものと同様の小型の核分裂炉を使用して水素などのガスを加熱し、そのガスをロケットのノズルで加速して推進力を得ます。NASA のエンジニアは、核熱推進で火星へのミッションを行えば、化学動力ロケットでの旅よりも 20% ～ 25% 短くなると見積もっています。

核熱推進システムは化学推進システムの 2 倍以上の効率を誇り、つまり同じ量の推進剤質量で 2 倍の推力を生み出し、10 万ニュートンの推力を発揮します。これは、自動車を約 4 分の 1 秒で時速 0 マイルから 60 マイルまで加速させるのに十分な力です。

2 つ目の核ベースのロケット システムは、核電気推進と呼ばれます。核電気システムはまだ構築されていませんが、高出力の核分裂炉を使用して電気を生成し、ホール スラスタなどの電気推進システムに電力を供給するというアイデアです。これは非常に効率的で、核熱推進システムの約 3 倍の効率性があります。原子炉は大量の電力を生成できるため、多数の個別の電気スラスタを同時に操作して、十分な量の推力を生成することができます。

原子力発電システムは、太陽エネルギーを必要とせず、非常に効率が高く、比較的高い推力を発揮できるため、超長距離ミッションには最適な選択肢となるでしょう。しかし、原子力発電ロケットは非常に有望ではあるものの、実用化までに解決すべき技術的問題がまだ多く残っています。

なぜ原子力ロケットはまだ存在しないのでしょうか?

核熱推進システムは1960年代から研究されてきたが、まだ宇宙飛行には至っていない。

1970年代に米国で初めて導入された規制では、基本的に、あらゆる核宇宙プロジェクトについて複数の政府機関による個別の審査と承認、および大統領の明確な承認が必要とされていました。核ロケットシステムの研究に対する資金不足と相まって、この環境は宇宙で使用するための原子炉のさらなる改良を妨げていました。

トランプ政権が2019年8月に大統領覚書を発行したことで、すべてが変わった。核兵器の打ち上げを可能な限り安全に保つ必要性は維持しつつも、新しい指令では、核物質の量が少ない核兵器ミッションは複数機関の承認プロセスを省略できるようになっている。ミッションが安全勧告を満たしていることを証明する必要があるのは、たとえばNASAのようなスポンサー機関のみ。より大規模な核兵器ミッションは、これまでと同じプロセスを経ることになる。

この規制の改正に伴い、NASA は 2019 年の予算で核熱推進の開発に 1 億ドルを受け取りました。DARPA も、地球軌道外での国家安全保障活動を可能にする宇宙核熱推進システムを開発しています。

60年間の停滞の後、原子力ロケットが10年以内に宇宙に向かう可能性があります。この素晴らしい成果は、宇宙探査の新しい時代の到来を告げるでしょう。人々は火星に行き、科学は太陽系全体とその外側で新たな発見をするでしょう。