新たな波が来ます！人類の宇宙探査を変えた「ブラックテクノロジー」

2023年1月10日、NASAの公式ウェブサイトは、毎年恒例の革新的先進コンセプトプログラムの資金提供リストを公開しました。合計20のプロジェクトが最終選考に残り、その後プロジェクト内容は徐々に更新され、発表されました。

これらのプロジェクトには主に、ジェット望遠鏡、光泳動推進、原子力加熱検出器、静電駆動大型宇宙構造物の曲げ成形、月の南極の酸素パイプライン、粒子ビーム推進、新しいバイモーダル核熱/原子力電気推進、火星居住地用のバイオミネラル自己生成ビルディングブロック、大型長波観測所、高度な液体収集技術、核融合エネルギー懐中電灯、回折干渉計コロナグラフ太陽系外惑星分析装置、放射性同位体熱放射バッテリージェネレーター、エアロゲル核分裂片ロケットエンジン、量子レーダー、惑星防衛システム、放射性同位体電気推進システム、高度な航空機静音固体推進装置、長距離観測所、宇宙製薬工場が含まれます。

私たちは、革新的な推進力、小惑星防衛、生命維持など、航空宇宙分野に密接に関連する 9 つの革新的なソリューションを選択し、これらの「ブラック テクノロジー」がどのように機能し、人類の宇宙探査の「ゲームのルール」をどのように変える可能性があるかを調べました。

光泳動推進：地球の大気圏を探査し、火星を目指す

中間圏は地球の大気圏の一部であり、高度は約 50 ～ 80 キロメートルです。明らかに、この範囲は気球や飛行機には高すぎ、衛星などの宇宙船には低すぎます。これまでのところ、人類はこの領域での安定した長期探査を達成しておらず、彼らが得た唯一の知識は、主にロケットが通過するときに滞在する数分間から得られたものです。

光泳動推進方式の概略図

中間圏の検出を実現するために、ペンシルバニア大学の研究チームは新しい推進システムのコンセプトを提案しました。推進エネルギーを必要とせず、装置に光を照射するだけで航空機は大気圏で浮遊し、長時間飛行することが可能です。

この研究は、光泳動浮上と呼ばれる現象に基づいています。光泳動浮上とは、固体が周囲のガスに対して光によって加熱されると、いわゆる光泳動力が発生し、固体とガスの間で運動量の交換が引き起こされる現象です。この力により、センシング プラットフォームは、光を吸収して下部で熱を発生させながら揚力を発生させ、上部では冷たい状態を保つことができます。

ペンの設計では、2つの異なる面を持つパネルが使用されている。上層は断熱用のポリエステルフィルム、下層はカーボンナノチューブと呼ばれる小さな棒状の炭素繊維の「ふわふわした毛布」でコーティングされたポリエステルフィルムである。技術チームは、実験室でさまざまな気圧下でプレートを実演・検証し、センチメートル規模の検出器を「無期限に」空中に浮かべることの実現可能性を証明した。フラットパネルは長さと幅がわずか数センチですが、多数のマイクロセンサーを搭載することもできます。科学者たちは、この技術を少し改良すれば、感知プラットフォームに水平方向の推進力を与え、推進源として光だけを使って中間圏のどこにでも到達できるようになると考えている。

さらに、火星の大気の気圧は地球の中間圏の気圧と似ているため、技術チームはこの技術を火星探査に応用する可能性も模索している。

格子閉じ込め核融合：異星の海洋探査に貢献

地球外生命体の存在の可能性を研究するために、科学者たちは異星の惑星で水資源を探し続けています。周知のように、ケレス、エンケラドゥス、冥王星、エウロパなど、多くの地球外惑星の表面は厚い氷で覆われています。氷床の厚さは数十キロメートルに達すると推定され、その下には巨大な液体の海があります。これらの太陽系外惑星の海は、惑星による潮汐加熱、または残留放射性崩壊によって形成された可能性があります。

これらの未知の海を探索するには多くの課題があります。 NASAは、加熱探査機や掘削探査機を使って氷を貫通し、異星惑星の内部海に入る可能性を研究しており、原子力探査機を使って放射性崩壊を利用して熱を発生させ、異星惑星の表面の氷を溶かすことを提案している。しかし、原子力検出器には安全性や価格などの制限があります。

異星の氷層の下にある海洋探査機の想像図

グレン研究センターは、主に金属格子内で燃料を融合させることで電力を供給する「格子閉じ込め核融合」と呼ばれる新しい方法を提案している。簡単に言えば、導電性金属の電子密度が非常に高い場合、2 つの軽い原子核が互いに近づいたときに反発する可能性が減少し、格子制約によって正に帯電した原子の融合が促進される可能性があります。

グレン研究センターのエンジニアたちは現在、この方法で火星表面の小型無人探査車に電力を供給できるかどうかを研究している。格子閉じ込め核融合は、高価で安全に取り扱うのが難しい核分裂性物質（濃縮ウランなど）を必要としないため、将来技術が成熟すると、その用途はより広くなるでしょう。これは宇宙ミッションのニーズを満たすだけでなく、個々の建物に電力を供給するなど、公共にも役立つ可能性があり、それによって化石燃料への依存を減らし、電力網の回復力を向上させることができます。

新しいバイモーダル核熱/核電気推進：火星への迅速な到着への期待

核熱推進は、「太陽系での有人宇宙ミッションに最適な推進技術」として認識されています。冷戦中、米国とソ連は数十年にわたって核熱推進の研究を行っていたが、残念ながら実用的な成果は限られていた。 2023年、NASAは、核熱推進と核電気推進の両方からなる方式であるバイモーダル核推進を開発するための核推進プロジェクトに資金を提供しました。このシステムはいわゆる「ウェーブロータートップサイクル」を使用する予定で、理論的には宇宙船が火星まで旅するのにかかる時間をわずか45日間に短縮できる可能性がある。

核熱推進は、原子炉内で液体水素推進剤を加熱し、イオン化水素ガスに変換し、ノズルを通して推力を発生させると考えられています。原子力電気推進は、ホール効果スラスタに電力を供給するために原子炉に依存しています。ホール効果スラスタは、磁場を利用して電子の軸方向の動きを制限し、推進剤をイオン化し、イオンを加速して推力を発生させ、噴出物内のイオンを中和して安全性を向上させることを目的としています。

異星の氷層の下にある海洋探査機の想像図

公開情報によると、最も先進的な核熱推進ソリューションは固体核ロケット核エンジン技術であり、化学エネルギーロケットエンジンの2倍の900秒の比推力を提供すると予想されています。しかし、核熱ロケットエンジンのより高い比推力の背後にはいくつかの潜在的な欠陥があり、特に高軌道速度ミッションを実行する場合、プロセス全体を通してミッション要件を満たすことは困難です。対照的に、原子力推進は約 100 万秒という超高比推力を実現できますが、推力は低く、質量出力比は制限されます。特に、電力需要の増加により、放熱の問題が深刻化しています。理想的な条件下では、熱エネルギー変換率は最大 30% ～ 40% に達します。

これらの課題やその他の課題に対処するために、このプロジェクトでは新しいウェーブロータートップサイクル方式を提案します。この推進システムは、比推力1400～2000秒で、核熱推進と同等の​​推力を達成することが期待されています。原子力推進と組み合わせれば、最小構造質量を増やすだけで比推力をさらに1800～4000秒まで高めることができる。この設計により、火星への有人宇宙ミッションを45日間で迅速に実行することが可能となり、宇宙放射線や微小重力などによる健康リスクが大幅に軽減され、さらには人類の太陽系探査の旅も一変すると期待されています。

放射性同位元素熱放射電池：キューブサットはさらに強力に

現在、ほとんどの宇宙船は太陽電池パネルで動力を得ていますが、火星の軌道を越えた深宇宙や、火星の砂嵐や月の長い夜などの厳しい環境では、太陽光だけでは必要なエネルギーを供給できません。代替手段として、多くの宇宙船は温度勾配を利用して発電する多目的放射性同位元素装置を搭載していますが、このような装置はかさばり、宇宙船の性能をある程度制限します。

この問題を解決するために、ロチェスター工科大学は「革命的」と言われる電源、熱放射電池を提案しました。従来のマルチタスク放射性同位元素装置と比較すると、その体積は 3 桁減少します。

本質的には、これは「逆に」動作するソーラーパネルです。太陽電池パネルが光を吸収すると、光エネルギーの一部は電気に変換され、大部分は熱に変換されます。熱放射セルの動作原理は、熱放射素子の原理に従います。セルパネルは、インジウム、ヒ素、アンチモン、リンなどの元素で構成されています。赤外線光子の形で放出された熱がパネルに当たり、太陽電池パネル内部の極性とは逆の極性の電位差が生じます。言い換えれば、熱放射セルは熱を利用して電気を生成し、消費されたエネルギーを赤外線光子の形で放出します。太陽光パネルの「逆方向」で動作し、より効率的であると言えます。

この新技術が実用化されれば、木星やさらにその先を探査するミッション、あるいは月の両極にある永久影のクレーターを探査するミッションでは、探査機は大型でかさばる設計を捨て、小型のエネルギーシステムを搭載した立方体の衛星を利用できるようになるかもしれない。

核分裂破片ロケットエンジン：太陽系外の居住可能な惑星の探索

高度な推進ソリューションに対する緊急のニーズに応えるため、ポジトロン ダイナミクスは核分裂破片ロケット エンジンを開発しました。理論的には、その推進効率は現在使用されているロケットエンジンよりもはるかに高く、高出力密度で10万秒を超える高い比推力を達成できます。

実際のところ、核分裂破片ロケットエンジンは新しい概念ではありません。その動作原理は基本的に現在の原子力発電所の原子炉と同じです。しかし、これまで提案された核分裂破片ロケットエンジンの設計は大きすぎ、熱的制限も大きすぎます。実用化には、粒子プラズマ懸濁などの技術的障害を克服する必要があります。

深宇宙探査機を輸送する原子力ロケットの画像

この問題に対処するため、ポジトロンパワーは2つの方法で解決しようとしています。1つ目は、核分裂物質を超軽量エアロゲルに充填して、核分裂反応に関与する燃料粒子が互いに固定されるようにし、同時に全体の構造質量を制御して軌道に送り込むことです。 2つ目は、超伝導磁石を使用して反応によって生成されたプラズマを閉じ込め、核分裂破片を同じ方向に導き、それらを効果的に推力に変換して、破片がエンジンを損傷するのを防ぐことです。

この電力システムの最終的な目標は、約 15 年間の飛行を経て宇宙船を地球から 500 天文単位の太陽重力レンズ位置まで駆動し、100 光年離れた太陽系外惑星の直接撮影と高解像度のスペクトル分析を実行するために時間内に減速して操縦することです。将来的には、そこに配備された宇宙望遠鏡がアインシュタインリング領域を横断し、太陽系外惑星の表面の特徴や居住可能性の兆候を撮影できるようになるだろう。

原子力ロケットの概略図

粒子ビーム推進：近傍星の探査を加速

シミュレーション計算によると、従来のスラスタを使用する宇宙船は、地球から約4.25光年離れた太陽系外で最も近い恒星であるプロキシマ・ケンタウリに到達するまでに19,000年から81,000年の飛行が必要になる。この目的のために、エンジニアたちは、指向性エネルギービーム（レーザーなど）を使用して検出器を動かす光帆を光速のほんの一部まで加速し、それによって近くの星の探査を加速することを期待して、新しい検出器の概念を研究してきました。

カリフォルニア大学ロサンゼルス校の研究者たちはさらに一歩進んで、粒子ビームによる解決策を提案した。この計画が実現すれば、約1トンの積荷を20年以内に500天文単位の距離まで運ぶことができるようになる。

実際、光帆を推進するビームは小さな粒子で構成されており、各粒子はレーザーアブレーションを使用して信じられないほど高速に加速され、その運動量を使用して宇宙船を飛行させます。レーザービームとは異なり、これらの粒子はそれほど急速に発散しないため、より重い宇宙船を加速することが可能になります。結局のところ、これらの粒子は光子よりもはるかに重く、より大きな運動量を持ち、宇宙船に大きな力を与えることができます。

現在、宇宙探査はロケットの方程式によって制限されており、太陽圏を通過して星間空間に入った探査機はわずか 2 つだけです。そのうち、ボイジャー1号探査機は太陽圏の頂点に到達するまで、年間3.6天文単位の速度で35年間飛行した。カリフォルニア大学ロサンゼルス校が提案した粒子ビーム推進方式は、宇宙船のこの長い期間を大幅に短縮する可能性があります。1年未満で太陽系外惑星に到達できると予想されています。 100天文単位から飛び立つまでには約3年かかります。そして、500天文単位離れた太陽の重力レンズの位置に到達するには15年かかります。さらに重要なのは、粒子ビーム推進は約1トンの重さの宇宙船を駆動できるため、ミッションの適応性が大幅に拡大することです。

粒子ビーム推進方式の概略図

作業の第一段階として、研究者は、さまざまなサブシステムの詳細なモデリングと概念検証実験を通じて、粒子ビーム推進の実現可能性を実証し、星間ミッションにおける粒子ビーム推進システムの役割の調査に重点を置きます。

小惑星防衛：地球を守るための戦争計画

従来の小惑星防衛方法は、主に宇宙船を打ち上げて脅威となる小惑星に衝突させ、運動量の移動によって小惑星の軌道を変え、地球から遠ざけるというものである。

2022年、カリフォルニア大学の研究者フィリップ・ルービン氏は、エネルギー転送の役割を強調し、既存の技術に基づいた小惑星防衛計画を提案した。この計画は主に、宇宙空間に一連の小型極超音速衝突装置を配備して小惑星や彗星を粉砕・分解し、その後、地球の大気圏を「シールド」として利用して破片の脅威を軽減するものである。この方法は、警告時間が長い迎撃モードに適しており、小惑星が地球に衝突する数分前にも使用できます。

小惑星防衛計画の概略図

この研究プロジェクトの目的は、高速で接近する天体に衝突する衝突体の物理的特性を理解し、接近する天体をより効果的に十分に小さな破片に砕く方法を理解することです。研究チームはNASAのスーパーコンピュータセンターと協力し、流体力学ソフトウェアを使用して、さまざまな接近する天体による衝突の影響をシミュレートし、テストした。予備的なシミュレーション結果によれば、衝突体が小さければ小惑星は簡単に破片化し、破片の雲が放射状に広がることが分かっている。短時間警戒モードで迎撃を実施した場合、破片の雲は大気圏に突入しますが、破片の体積は非常に小さいため、地上に落下せず、空中で燃え尽きます。予備的なシミュレーションでは、結果として生じる音波と閃光は重大な損害を引き起こす閾値を下回ると示唆されています。

プロジェクトの第 2 フェーズでは、上記のシミュレーション作業をさらに拡張して、衝突体とシミュレートされたターゲットの地上テスト、大気の化学効果の研究、高頻度の天空調査の実施など、小惑星防衛システムのロードマップの主要部分を調査します。

先進的な航空モビリティ：電気推進ドローンによる低騒音輸送

いわゆる「先進航空交通」とは、都市内および都市間で旅客、貨物、民間業務を遂行するために小型電気無人航空機を使用することを指します。技術的な課題は別として、住民の騒音に対する嫌悪感がおそらくこの計画の最大の障害だろう。

関連研究によると、電気推進装置を使用する無人垂直離着陸機は、理論的には空対空飛行ミッションを実行できることが示されています。この電気推進装置は主に電場を通してイオンを加速することで推力を発生させるもので、ほとんど音がしないため、将来の航空機は低騒音を求める住民の要望を満たすことが期待されています。

電気推進低騒音ドローンの概略図

現在まで、研究の取り組みは主に車両の概念設計と推進モデル化に重点を置いてきました。今後は、機体の詳細設計と製造に重点を置き、早期に飛行試験を積み重ねていく研究になります。研究チームは、対象機と同じ構造を持ち、垂直離着陸機能を備えた検証機を製作する。飛行試験や風洞試験を通じて、チームは対象となる航空機の設計モデル、特に推進性能と騒音制御効果を検証し、電子部品の性能をさらに向上させます。

宇宙医薬品：「宇宙飛行士」の健康を長期ケア

病気の予防、診断、治療は、人類の宇宙探査ミッションにとって非常に重要です。現在、宇宙飛行士は病気の治療や予防に主に地上で開発された医薬品に頼っていますが、これらの医薬品、特に小さなタンパク質（ペプチド）などの医薬品は、慎重に冷蔵保存しても保存期間が数か月しかないため、宇宙環境では信頼できない可能性があります。宇宙探査の新しい時代の到来により、人類は地球の軌道を越えた長期探査ミッションを実行し、今後数年間は軌道上を飛行し続けることになるかもしれません。そのため、宇宙での人間の医薬品使用の問題を解決することが広く注目されるようになり、宇宙での「オンデマンド生産」が根本的な解決策であることは間違いありません。

宇宙製薬研究室キャビンの稼働中の想像図

NASAエイムズ研究センターは、長期宇宙ミッション中に細菌を使って医薬品を製造する計画を提案した。プロジェクトの第一段階では、研究者らは枯草菌を改変し、放射線による損傷を治療し、人間の骨の健康を守るための薬の製造を試みた。また、小型で軽量なシステムを使用して浄化し、良好な結果を達成しました。しかし、宇宙飛行士のニーズを満たすのに十分な量と純度の薬剤を生産できるかどうかはまだ不明です。これはプロジェクトの第 2 フェーズで対処される重要な問題となっています。

今後、研究者らは宇宙飛行士の投薬リストにある他の薬剤を研究し、このシステムの使用範囲をさらに拡大する予定だ。また、宇宙での医薬品製造のためのマイクロ流体ベースの軽量製造/精製システムのプロトタイプも構築する予定です。

この技術が実用化されれば、宇宙医学は大きな進歩を遂げ、長期の有人深宇宙ミッションにおける医療ニーズを支えることが期待されます。実際、宇宙バイオ医薬品は科学研究において独自の利点を持つだけでなく、莫大な経済的価値も含んでいます。世界の宇宙科学技術の発展における最先端分野となっています。

NASA の革新的先進概念プログラムは、初期段階の研究に資金を提供し、革新的な航空宇宙概念を促進し、将来のミッション モードを変更して人類の宇宙探査の幅と深さを拡大する可能性のある画期的なソリューションを求めることを目的としています。 2011年以来、このプログラムは多くの「SFのような」提案に資金を提供し、当初はそれらの実現可能性を実証してきました。したがって、サイエンス フィクションは荒唐無稽で非現実的な空想ではなく、現代の科学理論に基づいた合理的な想像力です。それは科学の発展に大きな影響を与え、科学研究者にインスピレーションを与える可能性があります。航空宇宙技術の継続的な進歩により、「SFが現実になる」ことは決して不可能ではなく、宇宙探査はこれまでにない新たな展望をもたらすだろうと私は信じています。