原子力ロケットはどれほど魅力的でしょうか?

有人宇宙技術の継続的な進歩により、異星への着陸や新たな住居の建設が人類の壮大な将来の目標となっています。その中でも、太陽系の中で地球に最も似ている惑星である火星は、人類が他の惑星に移住する際の第一候補の一つとなる幸運に恵まれています。

しかし、火星に家を建てるには多くの課題が伴います。たとえば、従来の化学ロケットエンジンを使用する宇宙船では、地球から火星までの往復ミッションを完了するのに少なくとも 2 年かかります。放射線を弱める大気がない宇宙空間での飛行時間が長くなればなるほど、故障に遭遇する可能性が高くなり、搭乗員が負傷したり、生命を脅かす状況に陥ったりするリスクが高まります。そのため、有人火星探査ミッションでは、飛行時間を可能な限り短縮することが求められており、航空宇宙推進技術の革新が必要です。

最近、NASAと国防高等研究計画局は、原子力ロケットエンジンの開発で協力し、2027年までに軌道上での技術検証を目指すと発表しました。この技術は、宇宙飛行士が深宇宙ミッションに往復するのにかかる時間を大幅に短縮し、有人火星探査ミッションの基礎を築くことが期待されています。

米メディアが公開した「アジャイル月面運用実証ロケット」プロジェクトにおける原子力ロケットのイラスト。

一般的に言えば、原子力ロケットは、出力や持続時間の点で従来の化学ロケットに比べて比類のない利点を持つと期待されています。

議論されている将来のロケット推進方式の中で、原子力ロケットには明確な利点がある。宇宙船の飛行時間を短縮し、宇宙飛行士の無重力状態や宇宙放射線への危険な曝露を減らし、健康維持にさらに役立つことが期待されている。また、宇宙船の生命維持システムの設計を簡素化し、負荷とシステムの複雑さを軽減し、信頼性を向上させることも期待されています。

さらに、原子力ロケットは持続的な作業能力が強く、ミッションへの適応性も優れており、起動状態の調整も容易です。ミッションが一時中止となった場合、燃料補給なしで一定期間宇宙を旅した後、無事に地球に帰還すると予想されている。将来、火星などの異星から打ち上げられる際には、原子力ロケットによって操作が簡素化され、帰還の信頼性が高まることが期待されている。

しかし、原子力ロケットを一般化することはできません。原子力ロケットは、核エネルギーの放出方法によって、放射性同位体崩壊型、核分裂型、核融合型の3種類に分けられます。

その中で、放射性同位元素崩壊ロケットエンジンの動作原理は、放射性同位元素の崩壊によって発生した放射線を熱エネルギーに変換し、作動流体を加熱して推力を形成することです。研究では、数か月にわたるミッション中に継続的に小さな推力を発生させることができると考えているが、有人火星探査ミッションの主動力装置として使用するには適していない。

原子力ロケットのコンセプト

核融合ロケットエンジンは、関連分野の研究者を最も魅了するものです。その動作原理は、より軽い原子核をより重い原子核に融合させ、この熱核反応の過程で驚異的なエネルギーを放出することです。残念ながら、核融合制御の問題はまだ解決されておらず、高エネルギーレーザー点火技術もまだ十分に信頼できるものではないため、このタイプのエンジンはまだ理論的な研究段階にあり、SF作品でよく見られます。

現在、米国が開発に注力している原子力ロケットは、核分裂の動作原理に基づいたもので、核熱ロケットとも呼ばれています。これらは単純に言えば、原子力発電所が「空に向かって」進み、核燃料も消費するものとして理解できます。起動後、作動ガスは原子炉内を流れ、熱を吸収し、その後加速されてノズルから噴出され、推力を発生させます。将来的には、核分裂ロケットエンジンによって生成物をプラズマ状態にすることができ、作動ガスが加熱されて高速で噴出され、より大きな推力や比推力を生み出すようになるかもしれません。

原子力ロケットの使用は、有人火星探査ミッションが「安全かつ健全」であることを意味するものではない。代わりに、新たな問題を解決する必要があります。例えば、宇宙飛行士の数や日用品、作業装備が増えると、宇宙船の重量が大幅に増加し、必然的に原子力ロケットエンジンの推力に対する要求が高まります。

同時に、原子力発電に内在する安全上のリスク、特に宇宙飛行士の健康に対する放射線の脅威を真剣に受け止めなければなりません。新世代の原子力ロケット計画は、核放射線安全性において画期的な進歩を遂げたと報告されている。

近い将来、原子力ロケットが実用化され、火星移住はもはや夢ではなく、人類の宇宙開発の歴史における重要な飛躍となるでしょう。 （著者：于海川）