火星移民を実現させるための、4つの冴えたやりかた

2016年9月28日(日本時間)、スペースXのイーロン・マスクCEOは、2020年代から人類を火星に移民させるという壮大な構想を明らかにした。巨大なロケットと宇宙船からなる「惑星間輸送システム」(ITS, Interplanetary Transport System)を開発し、早ければ2022年から移民を開始。そして40～100年かけて火星に人口100万人以上の自立した文明を築くという。マスク氏が思い描く「火星移民構想」はどのようなものなのか、そして実現する見込みはあるのかについて解説する。

第1回では、構想の概要について紹介した。今回は、この壮大な構想を実現させるためとして、マスク氏が挙げた「完全に再使用できるロケットと宇宙船」、「地球周回軌道での推進剤の補給」、「最適な推進剤の使用」、そして「火星で推進剤を生産」の、4つの鍵について見ていきたい。

完全に再使用できるロケットと宇宙船

前回触れたように、マスク氏は有人火星探査を行う場合、従来のNASAのようなやり方では、一人あたり100億ドル(約1兆円)ものコストがかかると試算した。これほどまでに多額のコストがかかる理由のひとつに、火星まで行けるロケットや宇宙船を打ち上げのたびに使い捨てるということがある。

たとえば人類を月に送ったアポロ計画でも、また現在NASAが構想している有人火星探査でも、宇宙船も、そして全長100mにもなる超大型ロケットも、毎回すべて使い捨てる。そのため毎回新しい機体を建造する必要があるうえに、それほど打ち上げ数もないため量産効果も期待できず、コストはなかなか下がらない。

そこでロケットと宇宙船を再使用できるようにし、旅客機のように何度も飛ばせるようにすることで、コストを大きく引き下げるという。ロケットの再使用はスペースXにとってお家芸のようなもので、今も「ファルコン9」ロケットを再使用すべく、着陸試験や改良を進めていることは周知のとおりである。

地球周回軌道での推進剤補給

火星まで行って、さらに帰ってくるのには、大量の推進剤(ロケットの燃料と酸化剤)が必要になる。

たとえばアポロ計画では、その必要な推進剤のすべて、つまりロケットを地上から宇宙へ打ち上げ、月へ向かう軌道に乗せ、さらに月に着陸し、そして地球に帰ってくるまでに必要な推進剤を、一度にすべて打ち上げていた。そのために「サターンV」という、直径10m、全長100mもの巨大なロケットが開発されたが、もし有人火星飛行でも同じ方法を取ろうとすると、ロケットはさらに巨大で、途方もないほどの大きさが必要になってしまう。

そこでマスク氏は、人が乗った宇宙船と、その宇宙船が火星へ行くのに必要な推進剤を積んだ「タンカー」とを別々に打ち上げるという方法を提示した。

まず宇宙船は、地球をまわる軌道に乗るのに十分なだけの推進剤のみで飛び立つ。その宇宙船を打ち上げたロケットは地上に着陸し、続いて推進剤だけを積んだタンカーを載せて打ち上げる。そして宇宙船と軌道上でランデヴーし、宇宙船はタンカーから推進剤をもらい、火星へ向けて旅立つ。

人・物資と、火星まで行くのに必要な推進剤とを別々に打ち上げることで、現実的な大きさのロケット、宇宙船で火星まで行ける。1回の火星行きごとに2機のロケットを打ち上げるため、その分手間はかかるが、宇宙船とタンカーは基本的に同型の機体で、中に人や物資を積むか、推進剤を積むかくらいの違いしかなく、また同じロケットで打ち上げることが考えられている。さらに前述のようにロケット、宇宙船、そしてタンカーも再使用することが考えられており、コストは抑えられるとしている。

火星での推進剤の生産

もっとも、人・物資と、推進剤とを別々に打ち上げるにしても、火星へ行って帰ってくるのに必要なだけの推進剤を地球からすべて持っていこうとすると、まだロケットも宇宙船も途方もないほどの規模が必要になる。そこでマスク氏は、地球からは火星までの往路に必要なだけの推進剤のみを持っていくことにし、火星から地球へ帰ってくるのに必要な推進剤は、火星で現地調達するというアイディアを示した。

火星の大気には二酸化炭素があり、そして地表や地下には水があるといわれている。まず水を電気分解して水素と酸素を取り出し、そのうち水素を二酸化炭素と高温・高圧状態に置き、金属触媒と反応させることで水とメタンが得られる(これをサバティエ反応という)。

そしてそのメタンと、電気分解で得られた酸素を、火星から帰還するためのロケットの推進剤に使用する。またサバティエ反応のもうひとつの生成物である水も電気分解して水素と酸素に分けて使えば、無駄のない推進剤生成サイクルを成立させることができる。もちろん、あらかじめ推進剤生産のための設備を地球から持ち込む必要はあるものの、一度持ち込めば壊れない限りは使い続けることができる。

実はこの「帰りの推進剤を火星で現地調達」というアイディアは目新しいものではなく、1990年に米国の科学者ロバート・ズブリン氏らによって示されている。ズブリン氏らもまた、マスク氏と同じようにNASAのやり方では有人火星探査計画は途方もないほど大きな規模になり、到底実現はできないと考え、現実的な技術・予算の中で実施可能な計画として「マーズ・ダイレクト」という構想を編み出した。

マーズ・ダイレクトが考えられた当時は、まだ火星に水があるかどうかはわかっていなかったため、まず地球から水素を持っていく方法が考えられた。それでも実際に有人火星探査を行う際の有力な方法のひとつとして検討が続き、その後の火星探査によって火星に水があることがほぼ確実となったため、マスク氏が示すように、推進剤の生成装置以外はほとんど手ぶらで実現できる見通しができた。

最適な推進剤の使用

そして最後に、マスク氏は宇宙船の推進剤にメタンと液体酸素を使うことを示し、これを「最適な推進剤」と呼んだ。実はメタンには、火星で生産できること以外にも多くの利点がある。

これまで打ち上げられてきたロケットの多くは、ケロシン(灯油)や液体水素を燃料に使っていた。しかしケロシンは火星で生成ができないし、コストもやや高く、また煤が出るため再使用性も低い。液体水素は火星で生産できるものの、極低温にしなければならないためコストが高い上に扱いづらく、密度が低いため宇宙船の構造が大きくなってしまう。

しかしメタンであればコストも安く、扱いやすいため軌道上での推進剤再補給も楽で、また煤が出ないのでエンジンを再使用しやすい。密度も高いため構造を小さくできる。性能もケロシンより良いなど、言うなればケロシンと液体水素のいいとこ取りをしたような性質をもっている。

原理原則に基づいた最適解

これら4つの鍵は、物事を原理原則に基づいて考えるマスク氏の真骨頂とでも言うべきものである。

1機のロケットと宇宙船で火星往還が難しいなら、2機を使う。宇宙船とタンカーは基本的の共通の機体で、ロケットと合わせて再使用によるコストダウンを図る。推進剤にはメタンを使い、復路の推進剤は火星で生産する――。すべてゼロ・ベースで考えられた最適解である。

一方、NASAが現在検討している有人火星探査は、必ずしも最適解とは言い難い。まず始まりが"現在持っている技術を組み合わせて造ること"にあるため、たとえば宇宙船や貨物船を打ち上げるための超大型ロケット「スペース・ローンチ・システム」(SLS)は、スペース・シャトルのエンジンやタンクを流用して造られる。そこには再使用や、宇宙船とタンカーを共通の機体にすることによるにコストダウンや、火星でメタンが生産できるからメタン・エンジンを使うといった発想はない。

既存の技術を積み上げ、なんとか火星に届く道筋を描こうとするNASAとは違い、まず火星までの道筋を描き、必要な最適解を考えていくスペースX。その結果、一見すると荒唐無稽で誰もが「難しいだろう」とは思うものの、しかし細かく見ていくときちんと筋が通っており、「でも、できるかもしれない」と思えるものになっている。

そして、この構想で使われるロケットと宇宙船、タンカーもまた、壮大ながら、しかし手堅いものになっている。

(第3回へ続く)

【参考】

・Mars | SpaceX
　http://www.spacex.com/mars
・NINA_5_ FINAL_draft_MarsTalkRevised_v4_17_nm_112716 copy 12 - mars_presentation.pdf
　http://www.spacex.com/sites/spacex/files/mars_presentation.pdf
・SpaceX Interplanetary Transport System - YouTube
　https://www.youtube.com/watch?v=0qo78R_yYFA
・SpaceX’s Elon Musk announces vision for colonizing Mars - Spaceflight Now 　http://spaceflightnow.com/2016/09/27/spacexs-elon-musk-announces-vision-for-colonizing-mars/