将来的には、サンプルを採取するために金星の表面に行く予定です。 SFとテクノロジーの融合が新たな興奮を生み出す

将来のある日を想像してみてください。宇宙飛行士たちは、カスタマイズされた宇宙服を着て、火星の大気で生成された酸素を呼吸しながら火星の上を歩きました。膨らませて作る鳥のような乗り物が金星の空を飛び、金星の大気の構成と気象パターンを調査します...

これはまるでSFの世界の話のようですが、そう遠くない将来に現実になるかもしれません。 NASAは2022年2月、公式サイトで今年の革新的先進コンセプトプログラムの選考結果を発表し、合計18のプロジェクトが選ばれた。この記事では、小惑星防衛、現地資源利用、生命維持、サンプルリターン、自律探査など、深宇宙探査分野に深く関連する 9 つの革新的なソリューションを選択し、簡単に説明して、皆様にインスピレーションを与えることを願っています。

人間の終末防衛システム

直径1kmを超える小惑星が地球に衝突すると、大爆発を起こして津波を引き起こし、人類は絶滅の危機に直面すると報告されています。 6500万年前、直径10キロメートルの小惑星がメキシコのユカタン半島の海岸に衝突し、恐竜を含む地球上の種の約75％が絶滅しました。 1908年と2013年には、ロシアのシベリアにあるツングースカとチェリャビンスクでそれぞれ隕石爆発が発生し、8,000万本の木が破壊され、1,000人以上が負傷した。小惑星によって引き起こされる可能性のある災害に対応して、世界各国は関連する研究を実施し、一連の積極的な防衛計画を提案してきました。現在、能動的小惑星防衛には主に3つの方法がある。1つは、米国の深宇宙衝突計画や二重小惑星方向転換試験（DART）計画のように、運動エネルギーによる衝突で小惑星の軌道を変える方法である。 1つは、宇宙タグボートなどの長期的な力を利用して小惑星の軌道を変えることです。もう一つは核爆発を使うことです。

カリフォルニア大学のフィリップ・ルービン氏は、既存の技術に基づいた惑星防衛計画を提案した。宇宙空間に一連の小型極超音速運動貫入体を展開し、小惑星や彗星を粉砕・分解することで、地球を小惑星の衝突から守ることができます。このアプローチは、直径数百メートルの小惑星に対して効果的に防御できますが、その防御効果は主に小惑星を迎撃するのに必要な時間と小惑星のサイズに依存します。科学者たちは、人類の最終防衛システムがあれば、衝突のわずか5時間前に、ツングースカ事件と同規模の小惑星（直径50メートル、爆発エネルギー約1,000メガトン）を破壊できただろうと推定している。アポフィス（直径370メートル）などのより大きなターゲットも、衝突の10日前に迎撃できる可能性がある。システムが軌道上または月面基地に事前に配備されている場合、システムの応答時間はさらに短くなります。

小惑星防衛計画の概略図

積極的小惑星防衛は、人類が惑星や彗星の衝突に対処するための効果的な手段です。これにより、人類は初めて、小惑星の脅威に対処するための真の自律能力を獲得できるようになります。

金星大気・雲粒子サンプルリターン

MITの天文学者たちは、金星の大気の雲領域の居住可能性を評価し、生命の兆候を探すための金星へのサンプルリターンミッションのための新しい宇宙船の設計を提案した。

数十年にわたり、人々は金星の温帯雲層に基づいて、金星は居住可能な惑星であると推測してきた。金星の雲には極めて低い水分量と濃硫酸が存在するにもかかわらず、長い間説明のつかなかった大気の測定と新たな発見は、金星に微生物の生命が存在するかもしれないという考えを裏付けているが、宇宙生物学の研究はこのプロジェクトの焦点では​​ない。

この計画における飛行システムは、軌道探査機と軌道衛星から構成されます。軌道探査機は高度可変気球で構成され、高度45～60キロメートルで運用されます。気球のゴンドラにはサンプル採取装置と上昇車両が搭載されています。大気圏内のさまざまな場所からのサンプル採取が完了した後、空中プラットフォームは約70キロメートルの高度まで上昇し、上昇機が打ち上げられて探査機とランデブーし、サンプルが持ち帰られる予定だ。このプログラムは、新たな科学的発見を通じて人類の理解を深めるというNASAの目標と、「科学、技術、宇宙探査の進歩を促進し、人類の認知能力を高める」という使命をサポートするものだ。

金星サンプルリターン計画の概略図

「カスタマイズ」火星探査宇宙服

船外宇宙服は、宇宙飛行士を宇宙の過酷な環境から守り、生存のための微小環境を提供する人型の「宇宙船」と考えることができます。しかし、さまざまな理由により、すべての宇宙服が機能を十分発揮したわけではなく、多くの乗組員が肩の負傷や爪の喪失などの問題を経験しました。したがって、カスタマイズされた宇宙服は、さまざまな乗組員が直面する問題を解決する効果的な方法になります。しかし、これをどのように迅速かつ効率的に行うことができるのでしょうか?テキサスA&M大学の研究者たちがその答えを持っています。彼らは火星探査用の低コストで高性能なカスタマイズされた宇宙服の製造の実現可能性を研究しています。デジタルボディスキャン、デジタル設計/分析、ロボット製造を通じて、最終的には将来の宇宙服開発の基礎となるデジタルモデルを形成します。

火星探査宇宙服の概略図

このプロジェクトの目的は、深宇宙探査が直面するいくつかの大きな問題を解決することです。1. 宇宙飛行士の個々の違いに基づいて、船外活動用の宇宙服を迅速に設計および製造する能力。 2. デジタルツインシステムを確立し、経験と教訓に基づいて宇宙服の設計を継続的に最適化および改善する能力。 3. 深宇宙探検家は、デジタルファイルに基づいて、特定の船外宇宙服の部品をその場で製造または修理することができます。 4. 宇宙服のデジタル化を、補給、現地での修理と製造、原材料の再利用を含む火星ミッションの全体的なアーキテクチャと運用計画に組み込む。

火星固定式ポータブル酸素濃縮器

火星への有人ミッションにおける主要な課題の 1 つは、物資にすぐにアクセスできない状態での長期火星探査の問題に対処するための、現場資源利用 (ISRU) 技術です。特に酸素は、火星上昇車両（MAV）の推進剤であると同時に、生命維持に不可欠な資源でもあります。アリゾナ州立大学が提案する酸素発生器ソリューションは、主に温度スイング吸着/脱着（TSSD）プロセスを使用して、火星の大気を原料として酸素を生成します。既存の技術と比較すると、同じ量の酸素を生成するのにエネルギー消費を10分の1に削減できます。

ポータブル酸素濃縮器の仕組み

NASAは2021年4月、火星探査車パーセベランスで火星酸素現地資源利用実験（MOXIE）を実施し、火星の宇宙飛行士が10分間呼吸するのに必要な酸素量に相当する5.37グラムの酸素を生成することに初めて成功した。この技術では 1 時間あたり 10 グラム未満の酸素を生成できると推定されており、理論上は 1 時間あたり最大 12 グラムの酸素を生成できます。 MOXIE は二酸化炭素分子から酸素原子を切り離すことで機能します。分離後に生成される廃棄物（一酸化炭素）は火星の大気中に放出されます。

MOXIE技術と比較すると、TSSD技術は効率、エネルギー消費、堅牢性、柔軟性などの点で優れています。効率の面では、TSSD技術を使用した酸素生成の効率は、MOXIE技術の10倍になると予想されています。 MOXIE テクノロジーの場合、酸素推進剤を生成するのに必要な電力は少なくとも 30 kW ですが、TSSD では 4 kW しか必要ありません。柔軟性の点では、TSSD は起動に数分しかかからず (MOXIE の場合は数時間かかります)、断続的な状況や再起動の状況にも対処できます。堅牢性という点では、TSSD テクノロジーはシンプルで安価であり、回転部品がなく、耐用年数が長く、炭素堆積物が発生しにくいという特徴があります。どちらの技術も、酸素を生成するためにエネルギー変換を必要とします。 TSSD 技術の変換温度は約 260°C ですが、MOXIE 技術の変換に必要な温度は約 800°C であるため、機器の耐熱材料に対する要件が高くなります。この計画が実現可能であれば、TSSD により火星の資源をその場で活用する能力が大幅に向上し、火星の有人探査のリスクが大幅に軽減され、火星ミッションの着陸地点の選択に柔軟性が増します。

太陽系外惑星探査科学プログラム

コストの高さと技術的な困難さのため、太陽系の外縁部への人類の探査は極めて限られており、過去 60 年間の宇宙探査で、土星以外の天体が訪問されたのは 1 回だけです。最近の研究では、ソーラーセイルの推進力は年間 10 AU を達成できることが示されています。したがって、ソーラーセイル推進を使用すれば、人類は2年未満で海王星、3年未満で冥王星に到達できるようになります。これは、今日の推進技術では前例のないことです。

ソーラーセイルは深宇宙探査へのまったく新しいアプローチを提供し、低コストで迅速な輸送ミッションへの道を開きます。 NASAゴダード宇宙飛行センターは、ソーラーセイル推進のアイデアに基づいて、科学機器と宇宙船を統合した画期的な宇宙船アーキテクチャを提案しました。量子ドットベースの分光計をソーラーセイルの素材に直接印刷することで、質量制限によりこれまで実現できなかったペイロード機能を解決します。小型立方体衛星の推進にのみ使用される従来のソーラーセイルとは異なり、この宇宙船アーキテクチャスキームでは、その広大な領域を分光法に使用します。複数の宇宙船アーキテクチャを同期して動作させることで、飛行時間が大幅に短縮され、太陽系外縁部の科学的探査の境界が拡大されます。

外惑星探査計画の概略図

極限環境や極限地域の探査のためのバイオニック光線

極限環境および地域探査のためのバイオニックレイ（BREEZE）プロジェクトは、2019年のNASAイノベーションプログラムの一環としてバッファロー大学の研究者らによって提案されたもので、金星の大気圏探査を行うための多目的宇宙船の設計と構築を目的としています。

この航空機は、膨張式構造と生体模倣運動学を組み合わせ、エイの胸びれのように羽ばたく翼で揚力を発生させます。この設計により、惑星の大気中の強風を効果的に利用しながら、航空機の制御能力を向上させることができます。 BREEZEは高度50～60キロメートルの大気圏を飛行し、4～6日ごとに金星を周回し、太陽エネルギーを動力として金星の気象パターン、大気の組成、金星の磁場のマッピングの研究を行う。

バイオニックマンタソリューションの概念図

プロジェクトの第 1 フェーズでは、BREEZE の構造、空気力学、安定性、膨張に関する予備的な計算研究が可能になり、技術成熟度レベル (TRL) がレベル 1 (基礎理論研究段階) からレベル 2 (技術ソリューション適用の初期段階) に引き上げられました。ミッションの第 2 フェーズでは、その実現可能性を検証し、技術の成熟度はレベル 4 (実験室環境でのサンプル製造およびテスト段階) に到達します。最初のテストでは、高度なモーションキャプチャ技術を使用して翼の可動範囲と羽ばたき速度を評価し、BREEZE の操縦性を判定し、風洞試験の基礎を築きます。その後、物理データに基づいて実験が行われ、空気力学的な力とモーメントが得られます。これらのデータは、計算流体力学の結果の調整と検証に使用され、システムの推進力と制御能力が検証されます。

最後に、BREEZE のアクティブ制御能力をスケールモデルテストを通じて評価します。 BREEZE は金星に加えて、濃い大気を持つ他の天体 (タイタンなど) も探査できるため、NASA にその後の惑星探査のための低コストで低リスクのソリューションを提供します。

キロメートル規模の折りたたみ式宇宙構造物

長期間の宇宙飛行は、骨の変性、筋肉の喪失、脳の構造の変化など、すべて無重力に関係する、人体にとって深刻な問題をもたらします。したがって、人類が宇宙で長期間生活したいのであれば、人工的な重力環境を作り出す必要があります。

カーネギーメロン大学は2021年、NASAの革新的先進概念プログラムの一環として、数キロメートル規模の宇宙構造物を回転させて遠心力を発生させ、人工重力を実現する計画を提案した。この計画は、アルテミス計画の月軌道ゲートウェイを応用背景として利用しています。軽量で優れた機械的特性を持つメタマテリアルを使用し、伸縮比150倍以上の構造折り畳み技術を実現し、このキロメートル規模の構造部品をロケットのフェアリングに正常に取り付けて打ち上げることができます。

カーネギーメロン大学は、研究の第一段階を通じてこのアプローチの実現可能性を実証しました。第 2 フェーズでは、次の 4 つの具体的な方向性に焦点を当てます。1. 構造の「動的特性」のモデル化。 2. シミュレーション手法と設計最適化を使用して、製造エラーや外部干渉がある場合に構造展開で直面する一連の問題を解決します。 3. ラピッドプロトタイピングと継続的な反復によるモデルの調整とサブシステムコンポーネントの評価。 4. 数千のリンクを備えたメートル規模のプロトタイプで実験し、干渉のない展開と高い拡張率を検証します。第2段階の作業は2年間続き、このアイデアが実現すれば、NASAの将来の恒星間探査に即時かつ長期的な影響を与えることになるだろう。近い将来、数キロメートル規模の宇宙構造物により、月面空間での持続的な人類の居住が可能になるだろう。中長期的には、この構造は人類が宇宙で長期間生存するために極めて重要です。

小型クライミングロボット

火星の複雑な表面現象に直面して、従来の車輪付き探査機では検出範囲が限られており、一部の領域には到達できません。そこでNASAは、崖などのアクセスできない地域を探索する方法について考え始めました。スタンフォード大学の研究者たちはNASAの質問に答えようとしている。彼らは、遠隔移動ロボット、移動操作のために延長ブームを使用できる固定位置ロボット、火星の洞窟の複雑な地形の探索とサンプル採取を含むミッションアーキテクチャを開発しています。

火星や月の重力下で登るとき、這うロボットはアンカーポイントをつかんで、浮かんだり落ちたりすることなく物体を移動したり操作したりする必要があります。このロボットは、自律ロボット工学、ロボット操作、機械設計、生物に着想を得たグリップ、地質学および惑星科学の専門家からなる学際的なチームの英知を結集した、高度に再構成可能な機械装置です。

小型登山ロボットの概略図

プロジェクトの最初のフェーズでは、専門家チームが小型登山ロボットによる洞窟探検ミッションの実現可能性を調査し、この洞窟ロボットは到達範囲が広く、作業スペースも広いことを発見しました。多爪の軽量グリッパーを備えたソリューションにより、岩の表面をうまく掴むことができます。さらに、登山ロボットの優れた機動性と操縦性により、重要な科学的目標の探査を達成することができます。第2フェーズでは、専門家チームは、第1フェーズの実現可能性調査に基づいて、登山ロボットの作業スペースの拡大など、システムの堅牢性とエンドツーエンドのソリューション検証の問題の解決に重点を置きます。グリッパーが容易にかつ確実に掴むことができる洞窟の位置を決定し、洞窟を探索する際に他のロボットが遭遇するナビゲーションの制限を解決する。ロボットの把持失敗による振動の影響を軽減するコントローラの開発など、ミッションリスクを軽減する方法の研究。実際のミッション環境でのロボットの性能を研究します。

海洋惑星を探索するための独立したマイクロスイミングロボット

液体の海は数千メートルの氷の地殻の下にあり、太陽系内で生命が存在する可能性が最も高い場所です。これらの水生環境にアクセスし、調査することは長い間、科学者の焦点となってきました。 2021年、米国のジェット推進研究所（JPL）は、複数のセンチメートルレベルの3Dプリントマイクロロボットを使用して海氷の深部を探査する「独立遊泳型マイクロロボット探査」（SWIM）システムを使用して海洋惑星の探査を拡大することを提案しました。ロボットにはセンサーが装備されており、マイクロアクチュエータによって駆動され、超音波を介して無線通信し、個別またはクラスターで配備できます。

海洋惑星を探索する独立したマイクロスイミングロボットの概略図

プロジェクトの最初のフェーズでは、JPL はマイクロスイミングロボットのプロトタイプ設計を決定しました。 2022年に、このプロジェクトは第2フェーズの資金提供に選ばれ、研究の焦点は次の5つの側面に置かれます。プロトタイプテストを3回実施し、システム設計を継続的に反復する。シミュレーションを通じて、高い信頼性と最小限のハードウェア要件を満たす水泳ロボットの動作戦略を特定する。市販の製品を使用してセンサーペイロードの設計、製造、テストを実現します。水中での双方向通信機能をテストするための超音波トランスデューサーノードを開発する。操縦性・制御性能の研究開発を通じて、水中操縦性、状態評価、閉ループ制御を検証します。

深宇宙は、国の基礎的なイノベーション能力を高め、人類の認知を豊かにし、人類の生活空間を拡大する新興の主要科学技術イノベーション分野として、主要な宇宙開発国から高い注目を集め続けており、国際宇宙活動のホットスポットとなっている。多くの新しい概念と新しい技術提案は、深宇宙探査を中心に展開されています。これらの提案は、変革をもたらす革新的な概念とアイデアを深宇宙探査の分野に統合することで、必然的に新しい理論と新しい技術の出現を促進し、それによって人間の認識の限界を拡大し、科学技術の進歩を促進するでしょう。