火星への有人探査

火星への有人探査というアイデアは、火星探査の拡大の一環として、1940年代後半から航空宇宙工学や科学研究の対象となってきた。^{[ 1 ]}長期的な提案には、入植者を送り込み、惑星をテラフォーミングすることが含まれていた。現在、火星にはロボット着陸機、探査車、ヘリコプターしか到達していない。2026年現在、人類が地球から最も遠くまで到達したのは月とその周辺であり、1968年から1972年にかけてのアポロ計画の月面飛行と、2026年のアルテミスII月フライバイは、いずれもNASAによって運営された。

有人宇宙飛行を伴うミッションの概念的な提案は1950年代初頭に始まり、計画されたミッションは通常、草案作成から10年から30年後に実施されると予想されていました。^{[ 2 ]}有人火星ミッション計画のリストには、この宇宙探査の分野で複数の組織や宇宙機関によって提案された計画が示されています。これらの計画は、少数のグループ（2人から8人の宇宙飛行士）が数週間以上火星を訪れる科学探査から、継続的な滞在（研究ステーション、植民地化、その他の継続的な居住など）まで多岐にわたります。火星の衛星フォボスとダイモスの探査も検討されています。^{[ 3 ]} 2020年までに、触覚技術を使用した火星への仮想訪問も提案されました。^{[ 4 ]}

一方、火星の無人探査は数十年にわたり各国の宇宙開発計画の目標であり、1965年のマリナー4号のフライバイで初めて実現した。火星への有人ミッションは1880年代からSF作品の一部であり、より広く言えば、フィクションにおいて、火星は書籍、グラフィックノベル、映画などで探査や入植の対象として頻繁に取り上げられている。火星に住む存在としての火星人の概念は、フィクションの一部である。火星への有人ミッションの提案は、NASA、欧州宇宙機関、CNSA、ボーイング、スペースXなどの機関や、火星協会や惑星協会などの宇宙推進団体から出ている。

惑星軌道間の移動に必要なエネルギー、つまりデルタvは、会合周期によって定められた間隔で最小になります。地球と火星間の旅では、その周期は26か月（2年2か月）ごとなので、ミッションは通常、これらの打ち上げ期間のいずれかに一致するように計画されます。火星の軌道の離心率のため、エネルギーが小さい期間に必要なエネルギーは、およそ15年の周期で変化し^{[ 5 ]}、最も簡単な期間はピーク時の半分のエネルギーしか必要としません^{[ 6 ]} 。20世紀には、1969年と1971年の打ち上げ期間に最小値があり、1986年と1988年にもう1つの低値があり、その後サイクルが繰り返されました^{[ 5 ]} 。最後のエネルギーが小さい打ち上げ期間は2023年に発生しました^{[ 7 ]。}

^{反対クラスや合クラス[ 6 ]} 、あるいはクロッコフライバイ^{[ 8 ]}など、いくつかのタイプのミッション計画が提案されている。火星へのエネルギー転送が最も少ないのはホーマン遷移軌道であり、これは合クラスのミッションで、地球から火星まで約9ヶ月の移動時間、火星で地球への転送ウィンドウを待つための約500日（16ヶ月）、そして地球への帰還に約9ヶ月の移動時間を要する^{[ 9 ] [ 10 ]} 。これは34ヶ月の旅となる。 

より短い火星探査計画では、往復飛行時間は400～450日^{[ 11 ]} 、または衝クラスの探査では15か月未満ですが、かなり多くのエネルギーが必要になります。軌道上でのステージングにより、往復245日（8.0か月）の高速火星探査ミッションが可能になるかもしれません。 ^{[ 12 ]} 2014年には、弾道捕獲が提案されました。これは、ホーマンロケットと比較して燃料コストを削減し、より柔軟な打ち上げウィンドウを提供する可能性があります。^{[ 13 ]}

クロッコ・グランドツアーでは、有人宇宙船が宇宙空間で1年以内に火星と金星をフライバイする予定だった。 ^{[ 14 ]}フライバイミッションのアーキテクチャの中には、フライバイ探査着陸船による火星着陸方式を含むように拡張できるものもある。^{[ 15 ]} 1966年にR.タイタスによって提案されたこの方式では、火星フライバイの前に「親」となる地球・火星間輸送船から分離する短期滞在型の着陸上昇機が用いられた。上昇下降着陸機はより早く火星に到着し、火星周回軌道に乗るか着陸し、設計によっては、メイン輸送船に戻るために自らを発射する必要が生じるまで10～30日間滞在できる可能性がある。^{[ 15 ]} （火星フライバイも参照。）

1980年代には、火星でのエアロブレーキによって、地球から火星へ有人ミッションを打ち上げるのに必要な質量を最大で半分まで削減できる可能性が示唆された。^{[ 16 ]}その結果、火星ミッションではエアロブレーキが可能な惑星間宇宙船や着陸船が設計されている。 ^{[ 16 ]}

これまでに数多くの無人宇宙船が火星の表面に着陸しているが、ビーグル2号（2003年）やスキアパレッリEDM（2016年）のように、困難な着陸とされる試みに失敗した例もある。成功した例としては、以下のようなものがある。

• マーズ3号– 1971年
• バイキング1号とバイキング2号– 1976年
• 火星探査機パスファインダーとその探査車ソジャーナー – 1997年
• スピリットとオポチュニティの探査機 – 2004年
• フェニックス着陸船 – 2008年
• キュリオシティ・ローバー – 2012年
• インサイト着陸機 – 2018年
• Tianwen-1着陸船とZhurong探査機 – 2021 年
• パーセベランス探査車とインジェニュイティヘリコプター – 2021年

医学

火星への有人ミッションにはいくつかの重要な物理的課題が存在する。^{[ 24 ]}

• 宇宙線やその他の電離放射線による健康被害。^{[ 25 ] [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]} 2013年5月、NASAの科学者は、2011年から2012年にかけて地球から火星へ移動中に火星科学研究所の放射線評価検出器（RAD）で測定された高エネルギー粒子放射線に基づき、火星へのミッションには大きな放射線リスクが伴う可能性があると報告した。計算された放射線量は往復で0.66シーベルトであった。NASAの宇宙飛行士の生涯放射線限度は1シーベルトである。 ^{[ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 29 ]} 2017年9月中旬、NASAは、大規模な予期せぬ太陽嵐により、火星表面の放射線レベルが一時的に2倍になり、オーロラがこれまで観測されたものより25倍明るくなったと報告した。^{[ 30 ]}

• 腎機能の喪失。2024年6月11日、ユニバーシティ・カレッジ・ロンドンの腎臓医学部の研究者らは、「（宇宙飛行士が火星ミッション中に受けるであろう銀河放射線と微小重力に）人が長くさらされるほど、（腎臓に関して）深刻な健康リスクが生じる」と報告した。^{[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]}
• 長期無重力状態による健康への悪影響には、骨密度低下^{[ 35 ]}や視力障害^{[ 36 ] [ 37 ] [ 38 ]}などがある。（ミッションや宇宙船の設計によって異なる。）2019年11月、研究者らは、健康な宇宙飛行士11人を対象とした6ヶ月間の研究に基づき、宇宙飛行士が国際宇宙ステーション滞在中に深刻な血流障害や凝固障害を経験したと報告した。研究者らによると、この結果は火星探査ミッションを含む長期宇宙飛行に影響を与える可能性があるという。^{[ 39 ] [ 40 ]}

• 宇宙飛行の心理的および社会学的影響には、地球からの長期にわたる隔離と、地球とのリアルタイムの接続がないことによるコミュニティの欠如が含まれる（隠者と比較）。
• 複数の人間が狭い空間で地球時間で1年以上（宇宙船やミッション設計によっては2～3年）生活することによる社会的な影響。
• 医療施設の不足。
• 推進装置または生命維持装置の故障の可能性。

これらの問題の一部は、HUMEX研究で統計的に推定されました。^{[ 41 ]}エールマンらは、政治的および経済的な懸念、ならびに技術的および生物学的実現可能性の側面を検討しました。^{[ 42 ]}往復旅行の燃料は課題となる可能性がありますが、十分に成熟した技術があれば、火星のH2O（液体の水ではなく水の氷として望ましい）と大気中のCO2を使用して_メタンと_酸素を生成できます。^{[ 43 ]}

過去70年間、火星への有人宇宙飛行に向けて、多種多様なミッション構成が提案または研究されてきた。これには、化学推進、原子力推進、電気推進といった推進方式に加え、着陸、居住、帰還に関する様々な方法が含まれる。

多くの国や組織が、人類を火星に送るという長期的な計画を持っている。

• 米国は現在、火星を探査する複数のロボットミッションを実施しており、将来的にはサンプルリターンも計画されている。オリオン多目的有人宇宙船（MPCV）は、打ち上げ/着水時の乗員輸送機として使用される予定で、深宇宙居住モジュールは16か月に及ぶ旅のための追加の居住空間を提供する。火星への有人ミッションは、宇宙飛行士を火星に送り込み、火星を周回させ、地球に帰還させるもので、2030年代に提案されている。^{[ 2 ] [ 50 ] [ 51 ] [ 52 ]}米国政府の火星ミッションのための技術開発は進行中だが、2030年代半ばまでに火星への有人着陸という目標を掲げ、この構想プロジェクトを完了させるための十分な資金援助を受けたアプローチはない。^{[ 53 ]} NASAの資金援助を受けたエンジニアは、加圧された火星の土壌からレンガを製造して、そこに潜在的な人間の居住施設を建設する方法を研究している。^{[ 54 ]}
• 欧州宇宙機関（ESA）は有人宇宙飛行を長期目標としているが、2024年10月現在、有人宇宙船はまだ建造していない。 2016年にはエクソマーズなどのロボット探査機を送り出し、2022年には次の探査機を送る予定だったが、ロシアによるウクライナ侵攻のため計画は中断された。^{[ 55 ]} 2022年11月現在 2028年にNASAの支援を受けて探査機を送る予定だった。^{[ 56 ]}

火星への有人宇宙飛行を実現するには、克服すべき重大な技術的課題が数多く存在する。

火星の薄くて浅い大気への突入は、再突入時に大きな困難をもたらします。地球のずっと密度の高い大気と比較すると、宇宙船は表面に非常に速く降下するため、減速する必要があります。^{[ 58 ]}耐熱シールドを使用する必要があります。^{[ 59 ]} NASA は、火星大気への突入の新しいアプローチを開発するために、逆噴射減速技術の研究を行っています。推進技術の重要な問題は、突入と減速の超音速逆噴射段階における降下機の流体の流れの問題と姿勢制御に対処することです。^{[ 60 ]}

火星からの帰還ミッションでは、乗組員を火星表面から運び出すためのロケットを着陸させる必要がある。打ち上げ要件から、このロケットは地球周回軌道ロケットよりも大幅に小型化できる可能性がある。火星周回軌道への打ち上げは単段式でも可能だ。しかしながら、上昇用ロケットを火星に着陸させるのは困難だろう。

2014年、NASAは火星エコポイエシス試験場を提案した。^{[ 61 ]}

静脈内輸液

必要となる可能性のある医療物資の一つは、大量の点滴液である。点滴液は主に水だが、人間の血流に直接注入できるように他の物質も含まれている。既存の水からその場で生成できれば、必要な量を減らすことができる。この機能のプロトタイプは、2010年に国際宇宙ステーションでテストされた。^{[ 62 ]}

高度な抵抗運動器具

長期間運動をしない人は、筋力、筋肉量、骨量を失います。宇宙飛行の環境は、宇宙飛行士の骨密度を低下させ、骨折のリスクを高めることが知られています。最新の数学モデルでは、火星への有人ミッション中に宇宙飛行士の33%が骨粗鬆症のリスクにさらされると予測されています。^{[ 35 ]}宇宙船には、高度抵抗運動装置（ARED）に似た抵抗運動装置が必要になりますが、骨密度の低下を完全に打ち消すことはできません。

呼吸ガス

人間は純粋な酸素を呼吸できますが、通常は窒素などの追加のガスが呼吸混合ガスに含まれています。火星の大気からその場で窒素とアルゴンを使用することも考えられますが、これらを分離するのは困難です。^{[ 63 ]}そのため、火星居住施設ではアルゴン40%、窒素40%、酸素20%を使用する可能性があります。^{[ 63 ]}

呼吸空気から二酸化炭素を除去するアイデアの一つは、再利用可能なアミンビーズ二酸化炭素スクラバーを使用することである。^{[ 64 ]} 1つの二酸化炭素スクラバーが宇宙飛行士の空気をろ過している間、もう1つは火星の大気に放出される。^{[ 64 ]}

食料の栽培

人類が火星に住むためには、火星で食料を栽培する必要があるかもしれないが、それには多くの課題が伴う。^{[ 66 ]}既存の火星のレゴリスを使って植物栽培に適した土壌を作ることは、レゴリスに有機物が全く含まれていないことと、甲状腺、腎臓、そして一般的に人間の細胞に損傷を与える有毒な塩である過塩素酸塩が約0.5%含まれていることで、より困難になっている。^{[ 67 ]}また、極地を除いて、環境は寒すぎ、水も不足している。^{[ 67 ]}

2022年、NASAはアリゾナ州立大学、アリゾナ大学、フロリダ工科大学に190万米ドルの複数年助成金を共同で提供し、デハロココイデス・マッカーティ細菌などの微生物を使用して、模擬火星レゴリスの過塩素酸塩含有量を減らし、有機物を追加するというアイデアを探求した。 ^{[ 68 ]} D.マッカーティは過塩素酸塩を無害な塩化物と有用な酸素に分解し、排泄物として、また死後も土壌に有機物を残すため、^{[ 68 ]}一度に複数の問題を解決できる可能性がある。

ミッションの中には、それ自体が「火星探査ミッション」とみなされるものもあれば、より詳細なプログラムの一段階に過ぎないものもあります。例としては、惑星フライバイミッション、火星の衛星へのミッション、パーサビアランス探査車による火星環境が宇宙服素材に及ぼす影響の研究などが挙げられます。^{[ 69 ]}

無人火星サンプルリターンミッション

無人火星サンプルリターンミッション（MSR）は、有人火星表面ミッションの前段階として検討されることがある。^{[ 74 ]} 2008年、ESAはサンプルリターンを「不可欠」と呼び、火星へのロボットミッションと有人ミッションの間のギャップを埋めることができると述べた。^{[ 74 ]}火星サンプルリターンミッションの一例として、火星調査のためのサンプル収集がある。^{[ 75 ]}火星サンプルリターンは、惑星科学の未来に関する2013～2022年の惑星十年調査でNASAに提案された最優先のフラッグシップミッションであった。^{[ 76 ]}しかし、このようなミッションは複雑さと費用によって妨げられており、ESAの提案の1つには、少なくとも5つの異なる無人宇宙船が含まれていた。^{[ 77 ]}

サンプルリターン計画は、たとえ可能性は低いとしても、感染性病原体が地球に持ち込まれる可能性があるという懸念を引き起こします。^{[ 77 ]}いずれにせよ、サンプルの供給源（小惑星、月、火星表面など）に応じて、地球外サンプルリターンの基本的なガイドラインが策定されています。^{[ 78 ]}

21世紀の幕開けに、NASAは火星有人ミッションへの4つの潜在的な道筋を考案した^{[ 79 ]}。そのうち3つは、有人着陸の前提条件として火星サンプルリターンを含んでいた^{[ 79 ] 。}

2021年に火星に着陸した探査車パーセベランスには、岩石サンプルを採取して後日別のミッションで持ち帰るための装置が搭載されている。^{[ 80 ]}パーセベランスは、火星2020ミッションの一環として、 2020年7月30日にアトラスVロケットで打ち上げられた。^{[ 81 ]}

• コリンズ、マイケル（1988年11月）「火星探査ミッション」ナショナルジオグラフィック誌、第 174巻、第5号、 732 ～ 764 ページ。ISSN 0027-9358。OCLC 643483454。   

• 火星有人探査：リファレンスミッション設計 リファレンスミッション1.0
• 参照ミッション バージョン 3.0、火星有人探査設計参照ミッション 3.0への補遺
• 火星探査、フライバイ、および選択されたフライバイ。火星への有人ミッションプロジェクト一覧
• より詳細な参考文献は、NASAからPDF形式で入手可能なポートリーの著書の参考文献リストに掲載されている。