宇宙探査の未来

宇宙探査の将来には、ロボット宇宙船と有人宇宙飛行による望遠鏡による宇宙探査と物理的な宇宙探査の両方が含まれます。太陽系に関する新しい情報を得ることに重点を置いた近い将来の物理的な探査ミッションは、国家組織と民間組織の両方によって計画され、発表されています。

科学的拠点を築くための月と火星への有人軌道および着陸ミッションの暫定計画は、後に恒久的かつ自給自足の居住地を可能にするだろう。さらなる探査には、他の惑星への遠征や月への居住地の建設、そして特に小惑星帯での採鉱および燃料補給拠点の設立が含まれる可能性がある。太陽系外での物理的な探査は、当面の間はロボットによるものとなるだろう。

宇宙探査への投資は、20世紀の宇宙開発競争以来劇的に変化しました。20世紀後半の宇宙探査は、初の宇宙飛行を達成するためのソ連と米国の競争によって推進されました。現在、民間部門と各国政府は再び宇宙探査に投資しています。しかし、今回は、人類を壊滅的な出来事から守り、宇宙資源を活用することが動機となっています。^[1]

宇宙植民地化は、惑星災害が発生した場合に人類文明の存続を保証する手段であると主張されてきた。他の惑星を植民地化することで人類の分散が可能になり、惑星災害が発生した場合の生存の可能性が高まる。宇宙から採掘できる追加資源の利用可能性は、潜在的に人類の能力を拡大し、社会に大きな利益をもたらす可能性がある。これらの資源を活用し、汚染の多い産業を宇宙に移転することで、地球上の排出量を削減し、最終的にはよりクリーンなエネルギー源の発見につながる可能性がある。宇宙植民地化の主な障害には、技術的および経済的課題がある。^[1]

多くの民間企業は、宇宙旅行の全体的なコストを削減し、ひいては宇宙植民地化を実現することを目指して、宇宙旅行の効率化に取り組んでいます。SpaceXは、再利用可能なロケットであるファルコン9のリリースにより、効率的な探査を推進する主導的な存在となっています。^[2]

宇宙のユニークな特性により、宇宙飛行士は地球上ではできない研究を行うことができ、また宇宙から地球を眺める視点により、科学者は地球の自然環境についてより深い洞察を得ることができます。国際宇宙ステーションで行われる研究は、地球上の人類文明に利益をもたらし、宇宙と宇宙探査に関する人類の知識を広げることを目的としています。現在、NASAのISSでの研究には、生物医学研究、材料科学、技術の進歩、さらなる宇宙探査を可能にする方法などが含まれています。^[3]

反重力と微小重力により、宇宙飛行士は地球上では不可能な医療研究を行うことができます。たとえば、デュシェンヌ型筋ジストロフィーなどの複雑な病気に対する新しい治療法に関するNASAの研究では、治療溶液中の微粒子を強固に保つために微小重力環境を利用する必要があります。NASAはまた、標的を絞ったより効率的な治療を提供するために、微生物ワクチンの開発と薬剤のマイクロカプセル化への研究投資を報告しています。^[3]

ブレークスルー・スターショットは、ブレークスルー・イニシアチブによる研究・エンジニアリング・プロジェクトであり、スターチップという名の軽帆宇宙船の概念実証艦隊を開発し、^{[4] 4.37}光年離れたアルファ・ケンタウリ恒星系への旅を可能にすることを目指している。2016年にユーリ・ミルナー、スティーヴン・ホーキング、マーク・ザッカーバーグによって設立された。^{[5] [6]}

ロザリンド・フランクリン^[7]は、以前はエクソマーズローバーとして知られていた、計画中のロボット火星探査車であり、欧州宇宙機関とロシアのロスコスモス国営企業が主導する国際エクソマーズ計画の一部である。^{[8] [9]}

当初は2020年7月に打ち上げが予定されていたが、ローバーの着陸機構の試験問題により延期された。2022年5月現在、ロシア以外の新しい着陸プラットフォームが必要なため、ローバーの打ち上げは2028年より前には行われないと予想されている。^[10]安全に着陸すると、太陽光発電ローバーは火星の過去の生命の存在を探す7か月（218-ソル）のミッションを開始する。 2016年に打ち上げられたトレースガスオービター（TGO）は、ロザリンドフランクリンの着陸機のデータ中継衛星として運用される。 ^[11]

火星探査機ミッション2（MOM2）はマンガルヤーン2とも呼ばれ、インド宇宙研究機関（ISRO）が火星への打ち上げを計画しているインドの2番目の惑星間ミッションである。いくつかの報道によると、このミッションは2024年に提案された火星周回機になるはずだった。^[12]しかし、2019年10月のインタビューで、VSSCのディレクターは着陸機とローバーを含めることを示唆した。^[13]周回機はエアロブレーキングを使用して初期の遠点を下げ、観測に適した軌道に入る。^{[14] [15] [16]}

科学雑誌「ネイチャー」の記事では、小惑星を宇宙探査の入り口として利用し、最終目的地を火星にするという提案がなされている。このようなアプローチを実現するには、3 つの要件を満たす必要がある。まず、「宇宙飛行士が訪問するのに適した近隣の天体を何千個も見つけるための徹底的な小惑星調査」、次に、「飛行時間と距離を火星まで拡大し続ける範囲まで延長」、最後に、「宇宙飛行士が小惑星の大きさ、形、回転に関係なく探査できるように、より優れたロボット車両とツールを開発」である。さらに、小惑星を利用することで、宇宙飛行士は銀河宇宙線から保護され、ミッション クルーは放射線被曝の大きなリスクなしに着陸できる。

ブレークスルー・エンケラドゥスは、土星の衛星エンケラドゥスに生命が存在する可能性を探るための宇宙生物学探査ミッションのコンセプトである。^[17] 2018年9月、NASAはブレークスルーと共同でミッションコンセプトを作成するための協力協定を締結した。^[18]このミッションは、民間資金による初の深宇宙ミッションとなる。^{[19]このミッションでは}、エンケラドゥスの暖かい海から南の氷の地殻を通して噴出するプルームの内容を調査する。 ^[20]エンケラドゥスの氷の地殻の厚さは約2〜5キロメートルであると考えられており、^[21]探査機は氷を貫通するレーダーを使用してその構造を調査することができる。^[22]

惑星通過・恒星振動観測衛星（PLATO）は、欧州宇宙機関が2026年の打ち上げを目指して開発中の宇宙望遠鏡である。 ^[23]ミッションの目標は、最大100万個の恒星を通過する惑星の探査と、黄色矮星（太陽など）、準巨星、赤色矮星の周りの岩石質の太陽系外惑星の発見と特性評価である。ミッションの重点は、水が液体状態で存在できる太陽のような恒星の周りのハビタブルゾーンにある地球のような惑星にある。^{[24]これは、ESAの}コズミックビジョンプログラム の3番目の中型ミッションであり、西洋哲学、科学、数学の創始者である影響力のあるギリシャの哲学者プラトンにちなんで名付けられている。ミッションの二次的な目的は、恒星の振動や恒星の地震活動を研究して恒星の質量と進化を測定し、惑星のホスト恒星の年齢を含む正確な特性評価を可能にすることである。^[25]

SpaceX スターシップは、再使用型ロケットの第2段として打ち上げられる宇宙船として計画されている。このコンセプトは、民間宇宙飛行プロジェクトとして、SpaceXによって開発中である。^[26]長期間の貨物および乗客を運ぶ宇宙船として設計されている。^[27]当初は単独でテストされるが、追加のブースター段であるスーパーヘビーとともに軌道打ち上げに使用され、スターシップは2段式軌道投入ロケットの第2段として機能する。^[28]宇宙船とブースターの組み合わせもスターシップと呼ばれる。^[29]

ボーイング・スターライナー1号ミッションは、ボーイング・スターライナーの初の実用有人ミッションであり、スターライナー宇宙船を再利用する初のミッションとなる。このミッションは、2021年12月以降にアトラスVロケットを使用して打ち上げられる予定で、乗組員は4名、NASAの宇宙飛行士3名、そしておそらく日本、カナダ、または欧州宇宙機関のいずれかからの国際パートナー宇宙飛行士1名となる。このミッションは、女性船長が指揮する米国の4回目の宇宙飛行となる。

ISROの将来のガガンヤーン・ミッションは、インド初の有人宇宙飛行プログラムであり、5.3トン（12,000ポンド）の完全自律型宇宙船であるクルー・モジュールで構成され、3人の乗組員を軌道に乗せ、最大7日間のミッション期間後に安全に地球に帰還するように設計されている。2.9トン（6,400ポンド）のサービス・モジュールは、液体燃料エンジンで動く。GSLV Mk IIIロケットで2022年以降に打ち上げられる予定である。スリハリコタのサティシュ・ダワン宇宙センター（SDSC）からの打ち上げから約16分後、ロケットは宇宙船を地球から300〜400 km（190〜250マイル）上空の軌道に投入する。着陸の準備が整うと、サービス・モジュールと太陽電池パネルは再突入前に廃棄される。カプセルはベンガル湾にパラシュートで着水するために帰還する。

深宇宙探査の将来の可能性は、一連の技術的、実用的、天文学的、そして人的制約によって制限されており、これらの制約が有人および無人の宇宙探査の将来を決定づける。2022年現在、人類が作った探査機が最も遠くまで飛行したのは、現在のNASAミッションであるボイジャー1号^[30]で、地球から約157.8 AU 、236.1億km（146.7億マイル）の距離である。一方、最も近い恒星は約4.24光年離れており、これは268142.2 AUに相当します。

推進システム、航行、資源、貯蔵を含む宇宙航行技術の現状はすべて、近い将来の人類による宇宙探査の発展に限界をもたらしています。

地球と最も近い恒星との距離は天文学的なオーダーであり、これは現在の宇宙探査の発展にとって課題となっている。現在の最高速度70.2 km/sでは、ヘリオス2号探査機が最も近い恒星プロキシマ・ケンタウリに到着するまでに約18,000年かかることになるが^[31] 、これは人間の寿命よりもはるかに長いため、現在利用可能なものよりもはるかに高速な輸送手段が必要となる。この最高速度は、太陽の重力と探査機自身の推進システムの組み合わせによって宇宙船が加速されるオーベルト効果によって達成された。太陽系からの脱出速度としては、ボイジャー1号の17 km/sが最速である。

推進力に関して言えば、宇宙の真空では摩擦がないので、離陸と初期の運動量が主な課題となる。距離、荷重、飛行時間などの要素を含むミッションの目標に基づいて、使用される、使用が計画されている、または設計されている推進ドライブの種類は、液体水素や酸化剤などの化学推進剤^[33]（スペースシャトルのメインエンジン）からプラズマ^[32]やナノ粒子推進剤^[34]まで多岐にわたる。使用される可能性のある別の推進システムはイオン推進である。

将来の発展に関しては、核融合（ダイダロス計画）や核パルス推進（ロングショット計画）など、核ベースの推進の理論的可能性は60年以上前に分析されてきましたが、 ^[35] NASAによる実用的な研究は中止されています。より推測的な側面では、理論上のアルクビエレ推進は「光より速い」移動の数学的解決策を提示しますが、技術的な問題は言うまでもなく、木星の質量エネルギーが必要になります。^[36]

有人宇宙探査における人的要素は、保管と補給スペース、質量の問題とともに、将来の宇宙探査の可能性に一定の生理学的および心理学的問題と制限を追加します。

身体にかかる重力の大きさの変化は、方向感覚、協調性、バランスに悪影響を及ぼします。一定の重力がなければ、骨は廃用性骨粗鬆症になり、骨のミネラル密度は平均的な高齢者の12倍の速さで低下します。^[37]定期的な運動と栄養補給がなければ、心血管系の衰えや筋力の低下が起こる可能性があります。^[38]脱水は腎臓結石を引き起こす可能性があり、^[39]無重力での一定の静水圧は体液を上方に移動し、視力障害を引き起こす可能性があります。^[40]

さらに、地球を取り囲む磁場がシールドとして機能しないため、太陽放射は宇宙の生物に非常に厳しい影響を及ぼします。被曝により、中枢神経系が損傷する可能性があり（認知機能の変化、運動機能の低下、行動の変化の可能性）、また変性組織疾患が発生する可能性もあります。

NASAによると、宇宙での孤立は人間の精神に有害な影響を及ぼす可能性がある。NASAの一連の社会実験によると、士気の低下、気分のむら、うつ、対人関係の減少、不規則な睡眠リズム、疲労などの行動上の問題は、訓練のレベルとは無関係に発生する。^[41]最も有名なのはバイオスフィア2 ^[42]で、1990年代に8人の乗組員が2年間にわたって行った実験で、隔離された環境における人間の必需品と生存を研究する試みだった。その結果、対人関係のストレスやよそよそしい行動が生まれ、乗組員同士の接触が制限されたり、中止されたりしたほか、^[41]空気循環システムと食糧供給を持続させることができなかった。^[43]

将来的に有人ミッションが長期化する可能性を考慮すると、食糧の貯蔵と補給は重要な制約となる。貯蔵の観点から、NASAは3年間の火星ミッションには約24,000ポンド（11トン）の食糧が必要と見積もっており、そのほとんどは1食分約1.5ポンド（0.68kg）の調理済み乾燥食の形態となる。^[44]冷蔵システムがないため、生鮮食品は飛行開始時のみ利用可能となる。水の相対的な重量が制約となるため、国際宇宙ステーション（ISS）では1人当たりの水の使用量は1日11リットル（2.9米ガロン）に制限されているが、これは平均的なアメリカ人の1日132リットル（35米ガロン）に比べて大幅に少ない。^[44]

補給に関しては、貯蔵をより効率的にするために、リサイクル、再利用、生産の努力がなされてきました。燃料電池で水素と酸素を化学反応させることで水を生成することができ、^[44]微小重力下で野菜を育てる試みや方法が開発されており、今後も研究が続けられるでしょう。レタスはすでにISSの「野菜栽培システム」で栽培に成功しており、宇宙飛行士によって消費されていますが、大規模な栽培は、受粉、成長期間の長さ、効率的な植え付け枕の欠如などの要因により、 まだ非現実的です^{[45] 。}

宇宙ミッションに高度な自動化システムを使用するという考えは、世界中の宇宙機関にとって望ましい目標となっています。このようなシステムは、コストの削減、人間の監視の軽減、通常は人間のコントローラーとの長い通信によって制限される宇宙のより深いところの探査能力などの利点をもたらすと考えられています。自律性は、ロボット宇宙船が人間のコントローラーと通信できないことが多い太陽系の将来の探査にとって重要な技術になります。

自律性は次の 3 つの要件によって定義されます。

1. 世界から感じ取った情報や自分の現状に基づいて、自分で意思決定し実行する能力。
2. 与えられた目標を、実行すべきアクションのリストとして解釈する能力。
3. 柔軟に失敗する能力。つまり、システム内および周囲で起こっていることに基づいて、継続的に行動を変えることができる能力です。

現在、AIを活用して宇宙探査や宇宙船開発を進めようとするプロジェクトは数多くある。^[46]

NASA は、2000 年 11 月 21 日に打ち上げられたミレニアム計画の地球観測シリーズにおける NASA 初の衛星である Earth Observing-1 (EO-1) で自律科学実験 (ASE) を開始しました。これらの衛星の自律性により、機内での科学分析、再計画、堅牢な実行、モデルベースの診断が可能になります。EO-1 によって取得された画像は機内で分析され、変化や興味深いイベントが発生するとダウンリンクされます。ASE ソフトウェアは、10,000 枚を超える科学画像を提供することに成功しました。この実験は、NASA が AI のために考案した多くの実験の始まりであり、宇宙探査の未来に影響を与えました。

NASAのこのプロジェクトの目標は、パイロットの訓練ではカバーされていない状況でリアルタイムの専門家のアドバイスを提供したり、飛行中にパイロットの思考を補助したりすることでパイロットを支援できるシステムを開発することです。IBM Watson認知コンピューティングシステムをベースにしたAIフライトアドバイザーは、航空機マニュアル、事故報告書、危機一髪の報告書などの関連情報の大規模なデータベースからデータを引き出し、パイロットにアドバイスを提供します。将来的には、NASAはこの技術を実装して完全に自律的なシステムを作成し、宇宙探査に使用したいと考えています。この場合、認知システムが基盤となり、予期しない状況でも自律システムがミッションの行動方針を完全に決定します。^[47]ただし、これを実現するためには、まだ多くのサポート技術が必要です。

将来、NASA はこの技術を地球上の飛行だけでなく、将来の宇宙探査にも利用したいと考えています。基本的に、NASA はこの AI フライト アドバイザーをより長距離の用途に応用する計画を立てています。現在の技術に加えて、宇宙での予期せぬ問題に基づいて適切な一連のアクションを決定できる追加のコグニティブ コンピューティング システムも導入される予定です。ただし、これを可能にするには、強化する必要があるサポート技術がまだ数多くあります。

このプロジェクトで NASA が目指すのは、宇宙システムでの衝突回避のためのステレオ ビジョンを実装し、飛行環境で自律操作をサポートできるようにすることです。このテクノロジは、オペレーティング システム内で同じビューを持つ 2 台のカメラを使用しますが、組み合わせると、両眼画像を提供する広範囲のデータを提供します。このデュオ カメラ システムにより、NASA の研究では、このテクノロジが田舎や荒野の飛行環境での危険を検出できることが示されています。このプロジェクトにより、NASA は完全に自律的な UAV の開発に大きく貢献しました。現在、Stereo Vision はステレオ ビジョン システムを構築し、ビジョン データを処理し、システムが適切に機能することを確認して、最後に障害物と地形の範囲を判断するテストを実行できます。将来的には、このテクノロジで衝突を回避するための経路も決定できるようになると NASA は期待しています。このテクノロジの短期的な目標は、ポイント クラウドから情報を抽出し、この情報を過去の地図データに配置することです。この地図を使用して、このテクノロジは、地図データにはないステレオ データ内の障害物や特徴を推定できるようになります。これは、移動中の宇宙船に損傷を与える可能性のある移動中の妨害物体を人間が見ることができない将来の宇宙探査に役立つでしょう。^[48]

自律技術は、事前に決められた行動以上のことを実行できるようになる。周囲で起こりうるすべての状態や出来事を分析し、安全な対応策を講じる。さらに、このような技術は打ち上げコストと地上の関与を減らすことができる。パフォーマンスも向上する。自律性は、地球への通信に時間がかかりすぎる深宇宙探査など、予期せぬ出来事に遭遇したときに迅速に対応できる。宇宙探査は、宇宙に関する知識を提供してくれるだけでなく、発明や革新も生み出す可能性がある。火星やさらに遠くへの旅は、地球上で応用できる医療、健康、長寿、輸送、通信の進歩を促進する可能性がある。^[46]

宇宙船開発の変化は、将来のシステムに対するエネルギー需要の増加を考慮する必要がある。太陽系の中心に向かう宇宙船には、周囲の豊富な太陽エネルギーを利用するために、強化された太陽電池パネル技術が搭載される。将来の太陽電池パネル開発は、より軽量でありながらより効率的に動作することを目指している。^[49]

放射性同位元素熱電発電機（RTEGまたはRTG）は可動部品のない固体装置です。プルトニウムなどの元素の放射性崩壊から熱を発生し、通常30年以上の寿命があります。将来的には、宇宙船の原子力エネルギー源は現在よりも軽量で長持ちすることが期待されます。^[50]これらは、太陽光の量が著しく少ない太陽系外縁部へのミッションに特に役立つ可能性があります。つまり、太陽電池パネルでかなりの電力出力を生成することは非現実的です。

NASAは、深宇宙能力や人間の生命維持システムの改善など、宇宙探査に関わるより困難な問題の解決に引き続き注力しています。そうは言っても、NASAは宇宙での人間の生活環境を改善するのに役立つ革新を開発することを期待して、宇宙の商業化の課題を民間宇宙産業に委ねています。 ^[51]民間部門での宇宙の商業化は、飛行コストの削減、宇宙での人間の生活を維持するための新しい方法の開発につながり、将来的には観光客が低地球軌道旅行を体験する機会を提供します。

観光客として低軌道を体験するには、人間が宇宙を飛行したり宇宙で時間を過ごしたりするための設備が必要です。これらの設備では、以下の問題を解決する必要があります。

          1. 微小重力下での生活による生理学的影響は、体内の化学反応に影響を及ぼし、方向感覚の喪失による乗り物酔いなどの症状を引き起こします。宇宙での生活による長期にわたる緩やかな影響には、重力の少ない環境によって体全体のミネラルの流れが制限され、骨が萎縮するなどがあります。

          2. 今後の居住地はロケットシステムでの効率的な輸送を目的として設計されているため、小さくて閉鎖的な空間となり、閉じ込めの問題や閉所恐怖症などの行動の生理学的変化が生じます。

          3. 地球の軌道上に住むと、太陽から放出される有害な放射線を吸収するオゾン層の保護がなくなります。地球の軌道上で生活すると、地球上に住む人間の10倍の放射線にさらされます。^[52]これらの放射線の影響により、皮膚がんなどの症状が引き起こされる可能性があります。

商業化における当社の進歩

2017年、イーロン・マスクは、1時間以内に人間をある都市から別の都市に輸送するロケット旅行の開発を発表しました。イーロンは、再利用可能なロケット推進力で乗客を軌道上で目的地まで送り届け、世界中の旅行を改善するようSpaceXに要求しました。^[2]

リチャード・ブランソンCEO率いるヴァージン・ギャラクティック社は、航空機の推進力を利用して飛行機に到達する別の方法を開発している。スペースシップツーと名付けられたこの複葉機は、ホワイトナイトツーと呼ばれる宇宙船を積載し、ロケットが分離して地球の大気圏から上昇し始める巡航高度まで宇宙船を運ぶ。^[53]

ブルーオリジンのウェブサイトでは、ペイロードを軌道に乗せる小型ロケットを特集している。その目的は、将来的に人間を宇宙に送るという意図のもと、小型ペイロードを軌道に乗せるコストを削減することである。^[54]第1段は再利用可能だが、第2段は使い捨てである。ペイロードの最大寸法は、カルマン線を越えて運ばれる場合、約530立方フィートになると予想されている。

ニューシェパードの大型版であるブルーオリジンは、再利用可能な宇宙飛行が可能な高さ 95 メートルのロケットを開発することで、ペイロード能力の向上を目指しています。ペイロードは衛星、または宇宙飛行士の訓練を受けずに宇宙を見る機会を人間に提供するものになると予想されています。ブルーオリジンは、このロケットの再利用可能性によって宇宙飛行 25 回分を実現し、コストを軽減して商業旅行の可能性を高めたいと考えています。

ブルーオリジンの月面着陸船は、貨物と乗組員の両方を月面に送る能力を備えた柔軟な着陸船として設計されています。^[55]この居住地は、生命維持システムや月面周辺の掘削と偵察を行う月面ローバーなどの必需品を提供することで、持続的な人間の存在を提供します。このプロジェクトのさらなる開発には、ブルームーン月面着陸船に接続したり、そこから離脱したりすることを目的とした取り外し可能な居住区であるヒューマンランディングシステムが含まれます。

ロバート・ビゲローが設立したビゲロー・エアロスペース・コーポレーションは、ラスベガスに本社を置いています。この研究開発会社は、人間を住まわせ、宇宙での生活に適した生活環境を作り出すことができる宇宙建築の構築に重点を置いています。同社は、ジェネシスIとジェネシスIIと呼ばれる2機の小型宇宙船を低軌道に送り、ビゲロー拡張活動モジュール（BEAM）と呼ばれるモジュールを送りました。これは膨らませて国際宇宙ステーションに取り付けます。^[56] BEAMモジュールは長さが14フィートで、輸送しやすいように膨らませたり縮めたりすることができます。ビゲロー・エアロスペースは、国際宇宙ステーションから独立した独自のモジュールを開発して、観光客や訪問者を送り込むことを目指しています。

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