太陽系全体の資源開発には、これらの新しいテクノロジーが必要です。

最近、我が国の航空宇宙専門家は、太陽系全体にわたる資源開発のロードマップを提案しました。今後、地球外氷資源の開発、異星での採掘、宇宙飛行の運用などの課題には、より大きな価値を生み出すために、より多くの新しい航空宇宙技術の研究開発と応用が求められるでしょう。宇宙探査の歴史における太陽系探査ミッションと比較して、将来の太陽系資源開発ではどのような野心的な目標が達成される可能性があるでしょうか?どのような新しい技術が必要ですか?研究者が克服しなければならない課題は何でしょうか?

異星の氷層の下にある海洋探査機の想像図

大規模開発のための「Heavenly Creations」レイアウト

少し前に、中国航天学会の第1回宇宙科学実験学術交流会が北京で開催されました。会議では、中国科学院の王維院士が「宇宙資源開発システム開発構想」と題する報告書を発表し、「天の創造」構想を発表した。

報告書は、戦略的な鉱物資源の開発を目標とし、地球外の水氷資源の利用を基盤とし、二大天体間のラグランジュ点L1/L2を結節点として、近いところから遠いところまで段階的に宇宙資源開発システムを構築する考えを提唱している。

一方で、月、地球近傍小惑星、火星、メインベルト小惑星、木星の衛星に水氷資源開発施設を段階的に建設し、月、火星、ケレス、木星などを巻き込んだ宇宙資源供給ステーションシステムを段階的に構築し、太陽系全体の資源の探査と開発能力を備えることになります。

一方、宇宙資源供給ステーション、宇宙資源輸送路、地球外採掘ステーション、宇宙資源処理ステーション、宇宙資源の低コスト帰還路などの宇宙インフラを構築し、月、地球近傍小天体、メインベルト小惑星、惑星などを巻き込んだ宇宙資源開発システムを段階的に形成し、大規模かつ商業的に宇宙資源を開発・利用する能力を持たせる計画である。

さらに、低コストの資源回収、飛行ベースの宇宙資源輸送、宇宙資源供給ステーション、地球外採掘ステーション、宇宙資源処理ステーションなどの共通キーテクノロジーのブレークスルーに焦点を当て、宇宙への出入り、宇宙輸送、宇宙供給、宇宙採掘、宇宙資源処理テクノロジーのレイアウトに焦点を当てています。

つまり、この報告書は「探査、採掘、利用」の各段階の目標を提示し、我が国の宇宙資源開発・利用分野における飛躍的発展を促進するため、2035年、2050年、2075年、2100年までの太陽系全体の資源開発に向けた4段階の開発ロードマップを暫定的に示している。

これらの野心的な目標を達成するためには、航空宇宙関係者が大胆に革新し、一連の新しい技術を開発して適用する必要があります。

探査、太陽系へのより深い理解

太陽系の資源を開発するためには、まず地球外天体の十分な精度の調査を行うことが最優先です。

既存の航空宇宙探査方法により、探査機を使用して月の極における水氷資源の分布を明らかにしたり、火星表面の非常に高解像度の画像化を行ったり、地上レーダーを使用して地球近傍小惑星の表面の主成分を分析するなど、地球外惑星の表面資源に関する情報を収集することが可能になりました。

しかし、既存の技術では、異星惑星の表面の詳細かつ広範囲の検出を考慮することは困難です。たとえば、マーズ・リコネッサンス・オービターの高解像度カメラは、10年以上にわたって火星表面の約5％しかスキャンしていません。今後、太陽系資源の探査の旅においては、より広域かつ高精度な画像検出システムが不可欠となるでしょう。

さらに、地球外天体の深部にある資源の探査も新たな開発分野です。エウロパ、エンケラドゥス、トリトンなどの巨大惑星の衛星表面の厚い氷層の下には、衛星内部の残留熱と巨大惑星の重力により、広大な海が存在する可能性がある。将来的には、これらの地下海が深宇宙ミッションを実行する宇宙船への補給に役立ったり、地球上の水資源の補充に利用される可能性もあります。

これらの氷衛星を調査するには、氷を加熱して溶かし、何キロメートルもの厚い氷を貫通して地下の海を探索するためのドリルと潜水艇の使用が必要であることは想像に難くありません。これらのデバイスでは、長期的な動作条件を維持し、システムの複雑さと全体的なコストを削減するために、放射性同位元素デバイスを使用する必要があります。

さらに、より強力な地上および宇宙ベースのレーダーにより、地球近傍小惑星およびメインベルト小惑星の資源構成をさらに調査し、開発する価値があるかどうかを判断することになります。

長距離かつ未知の高リスク環境を考慮すると、人工知能に基づく無人探査機は探査の「先駆者」となり、より低コストでより多くの成果を上げ、有人深宇宙基地の設立の基礎を築くことになるだろう。地球外天体の過酷な放射線環境に適応するためには、無人探査機の人工知能の計算能力と通信能力を継続的に向上させる必要があります。

コレクション、大規模な宇宙へのアクセス

現在、探査機は月のサンプルの持ち帰りを達成しており、火星のサンプル持ち帰りミッションも加速されています。しかし、科学研究目的で採取される少量のサンプルと比較すると、今後継続的に採掘される地球外資源の総量は必然的に大幅に増加することになる。そのためには、宇宙飛行士が大規模に宇宙に進出する能力を習得し、十分に強力な宇宙輸送能力を備えていることが必要です。

再利用が可能で総合的なメリットが高い大型ロケットや飛行ベースの航空宇宙輸送機が「主導権を握る」ことができるはずだ。化学エネルギーを活用し、低軌道打ち上げミッションを一括して実行し、統合組立を実施し、国際宇宙ステーションよりも大規模で壮大な宇宙施設を建設します。しかし、頻繁に行われる深宇宙飛行では、化学エネルギーエンジンでは比推力が限られており、推進効率が低いため、太陽エネルギーや原子力エネルギーをベースにしたより効率的な推進技術を適用する必要があります。

周知のように、宇宙船が遠ざかるにつれて太陽放射の強度は急激に減少します。木星の軌道を超えた後は、太陽電池パネルの発電効率がミッションの要件を満たすことはほとんどできなくなります。将来的には、新たな技術を応用し、反射板を使って太陽光をソーラーウィングに集中させることで、理論的には土星の軌道までソーラーウィングの適用範囲を拡大することが可能です。

原子力宇宙船は、太陽系内での定期的な移動に必要な選択肢となる可能性が高い。核分裂破片ロケットエンジン、核融合推進などの技術的成熟度が低いため、核熱推進と核電気推進の方が現実的であると思われます。

深宇宙ミッションを遂行する原子力ロケットの画像

核熱推進の原理は、水素やその他の作動流体を原子炉の炉心に直接流して加熱し、推力を発生させることです。予備テストは1960年代に早くも実施されました。核燃料濃度の低い外国の核熱ロケットは5年以内に初飛行する予定だ。彼らの目標には、宇宙船を2年以内に木星、3年以内に土星に到達させることが含まれています。

しかし、原子力熱推進には現在、始動・停止時間が長いなどの問題があります。さらに、原子炉の炉心燃料棒は、連続運転中に異常なクリープ、被覆管の破砕、強度低下などの問題が発生する可能性があり、複数回の起動や連続運転時間は制限されます。

原子力推進には、複雑で高度な機械構造、冷媒の能動的な循環、冗長バックアップの欠如が必要であり、その結果、深宇宙環境では信頼性が低くなります。稼働寿命は数十日程度であることが多く、巨大な放熱装置により宇宙船が「重量超過」になることもあります。

実際、宇宙船は、より優れた柔軟なロボットアームの開発など、異星の惑星の表面で大規模に資源を採掘するための大きな課題を克服する必要があり、材料や構造設計などの基礎分野でも進歩する必要があります。

技術革新の促進に加え、斬新な宇宙船設計のアイデアの実現も期待されます。例えば、宇宙飛行士は、スラスタを使用して十分な資源を持つ小天体を地球に「移動」させることを検討し、宇宙船の着陸やサンプル採取の設計を簡素化し、代わりに宇宙船と小天体の組み合わせの制御技術に焦点を当てることができます。

利用、全体が新たなレベルに到達

太陽系資源の徹底的な開発段階では、収集された宇宙物質は完全に地球に輸送されるのではなく、可能な限り軌道上で使用可能な資源に変換されます。

例えば、研究者たちは、宇宙船や宇宙作業員に供給するために、地球外惑星の水氷資源を電気分解して水素や酸素などを生成する方法を実証しています。収集した原鉱石を精製して直接使用できる金属資源にしたり、宇宙船の軌道上での組み立て用の付属品に加工したりすること。火星の表面で二酸化炭素と水素を利用してサバティエ反応によりメタンを生成し、さらに有機物や食物を合成する。宇宙船の材料と知能が進歩すれば、放射性物質が濃縮された地球外惑星から核物質を収集して原子炉の燃料棒を製造したり、巨大惑星の大気から希ガスや電気推進流体を抽出したりすることも考えられます。

つまり、深宇宙ミッションの宇宙船が広く配備され、宇宙インフラが徐々に改善されるにつれて、前哨基地の運営をサポートするためにさらに多くの地球外資源が使用されるようになり、それらを地球に輸送することがコストに見合わない場合もあるのです。現在、多くの国の航空宇宙産業は、月、火星、その他の外惑星での現地資源利用実験を実施済みまたは実施しようとしており、これは地球外資源開発の新たなモデルの探求に役立つでしょう。

エイリアンの採掘現場の画像

地球外惑星での資源の現地利用や宇宙生産活動を展開することが今後の太陽系資源開発の潮流となり、エネルギー供給の問題は無視できないものとなる。そのためには、宇宙船や宇宙工場の設計を簡素化するために、宇宙太陽光発電所などの宇宙インフラを構築する必要があります。

宇宙工場が直面するもう一つの問題は放熱だ。放射熱放散効率は低く、液体や大気のない異星の惑星で高温で金属を精錬するのは危険だ。宇宙工場は、火星やタイタンなど大気を持つ天体上に建設するのに適しているようです。

将来、精密機器を生産する宇宙工場が実現すれば、宇宙飛行士は無重力環境を利用して「宇宙ドック」を建設し、地球環境では実現が難しい巨大な宇宙船を組み立て、より長い航海をサポートしたり、より多くの貨物を輸送したりできるようになるかもしれません。

ほぼ無限の宇宙資源と、探査・開発の過程で得られた技術的成果は、国家の発展と戦略的競争における明るい未来を表しているため、航空宇宙産業は世界各国が投資を競う「希望の分野」となっている。技術の進歩により、宇宙資源開発の概念は徐々に現実のものとなりつつあり、航空宇宙従事者は継続的な投資によって努力を続ける必要があります。 （著者：張 陳）