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人類を火星に送るという考えは、火星の広範な探査の一環として、1940年代後半から航空宇宙工学と科学研究の対象となってきた。[1]長期的な提案には、入植者の派遣と惑星のテラフォーミングが含まれている。現在、火星に行ったのはロボット着陸船と探査車のみである。人類が地球から最も遠くへ行ったのは、 1972年に終了した米国航空宇宙局（NASA）のアポロ計画による月である。
人間の探検家が関わる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、草案が作成された時点から10年から30年の間に実行されるとされていました。[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出されたさまざまなミッション提案が記載されています。これらの乗組員の計画は、小グループ（2〜8人の宇宙飛行士）が数週間またはそれ以上火星を訪問する科学探検から、継続的な存在（研究ステーション、植民地化、またはその他の継続的な居住など）まで多岐にわたります。 [要出典]火星の衛星フォボスとダイモスの探査を検討している人もいます。[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、無人火星探査は数十年にわたり国家宇宙計画の目標となっており、1965年のマリナー4号の フライバイで初めて達成された。火星への有人ミッションは1880年代からSFの一部となっており、より広義のフィクションでは、火星は書籍、グラフィックノベル、映画の中で頻繁に探査や居住の対象となっている。火星に住む火星人という概念も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、CNSA、欧州宇宙機関、ボーイング、SpaceXなどの機関や、火星協会や惑星協会などの宇宙擁護団体から出ている。
火星への旅
惑星軌道間の移動に必要なエネルギー、すなわちデルタvは、朔望月周期で決まる間隔で最も低くなる。地球から火星への旅の場合、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と一致するように計画される。火星の軌道の離心率のため、低エネルギー期間に必要なエネルギーはおよそ15年周期で変化し[5]、最もエネルギーの少ない期間はピーク時の半分のエネルギーしか必要としない。[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年に再び最低値があり、その後、この周期が繰り返された。[5]最後の低エネルギー打ち上げ期間は2023年に発生した。[7]
衝突クラスや合クラス、 [6]またはクロッコフライバイなど、いくつかのタイプのミッション計画が提案されています。[8]火星への最も低いエネルギー転送はホーマン遷移軌道で、地球から火星まで約9か月の移動時間、火星で地球への転送ウィンドウを待つ約500日（16か月） [要出典] 、そして地球に戻ってくるのに約9か月の移動時間が必要です。 [9] [10]これは34か月の旅になります。
より短い火星ミッションの計画では、往復飛行時間は400～450日[11]または15か月未満ですが、大幅に高いエネルギーが必要になります。軌道上での段階的着陸により、往復245日（8.0か月）の高速火星ミッションが実現する可能性があります。[12] 2014年には、燃料費を削減し、ホーマンに比べてより柔軟な打ち上げ期間を提供できる可能性がある弾道捕捉が提案されました。[13]
クロッコ・グランドツアーでは、有人宇宙船が宇宙で1年以内に火星と金星をフライバイする。 [14]フライバイミッションの構造の中には、フライバイエクスカーション着陸宇宙船による火星着陸のスタイルを含める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計画では、火星フライバイの前に「親」地球火星転送機から分離する短期滞在型着陸上昇機が関与していた。上昇下降着陸機はより早く到着し、火星の周回軌道に乗るか着陸し、設計によってはメイン転送機に戻るまでに10～30日間の猶予を与える。[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ングにより、地球からの有人火星ミッションに必要な質量を半分ほど削減できる可能性があると示唆されました。 [16]その結果、火星ミッションではエアロブレーキングが可能な惑星間宇宙船と着陸船が設計されました。 [16]
火星への着陸
これまでに無人宇宙船が数多く火星の表面に着陸しているが、ビーグル2号（2003年）やスキアパレリEDM（2016年）など、困難な着陸とみなされて失敗したものもある。成功した例には以下のものがある。
- 火星3 – 1971
- 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ソジャーナ探査車 – 1997年
- スピリットとオポチュニティ探査車 – 2004
- フェニックス着陸船 – 2008
- キュリオシティ探査車 – 2012
- インサイト着陸船 – 2018
- Tianwen-1着陸船とZhurong探査機 – 2021 年
- パーサヴィアランス探査車とインジェニュイティヘリコプター – 2021
軌道捕捉
探査隊が火星に到達すると、軌道に入るために減速が必要となる。ロケットかエアロキャプチャの2つの選択肢がある。有人ミッションのための火星でのエアロキャプチャは20世紀に研究された。[17]火星に関する研究93件をレビューしたところ、24件で火星または地球への帰還にエアロキャプチャが使用された。[17]有人ミッションでエアロキャプチャを使用する際の考慮事項の1つは、宇宙飛行士が受ける最大力の制限である。現在の科学的コンセンサスでは、5 g、つまり地球の重力の5倍が最大許容減速量である。[17]
調査業務
安全な着陸を行うには、マリナー4号によって初めて観測された大気の特性に関する知識と、適切な着陸地点を特定するための火星の調査が必要である。大規模な地球規模の調査は、マリナー9号、 バイキング1号、およびバイキング着陸船を支援した2機の周回衛星によって実施された。その後の周回衛星、例えばマーズ・グローバル・サーベイヤー、2001マーズ・オデッセイ、マーズ・エクスプレス、マーズ・リコネッサンス・オービターは、改良された機器を使用して、より高い解像度で火星の地図を作成した。これらの後の調査では、重要な資源である水が存在する可能性のある場所が特定された。[18]
資金調達
人類を火星に送る上での主な制約要因は資金です。2010年の推定費用は約5000億ドルでしたが、実際の費用はおそらくそれ以上になるでしょう。[19] 1950年代後半から、初期の宇宙探査は太陽系の観測と同じくらい政治的な声明を出すために孤立した国家によって行われました。これは持続不可能であることが判明し、現在は国際協力の風潮があり、国際宇宙ステーションや提案されている月ゲートウェイなどの大規模プロジェクトは複数の国によって建設され、打ち上げられています。[要出典]
批評家は、火星に人類を駐留させることで得られる莫大な費用が、当面の利益を上回っており、資金はロボット探査などの他のプログラムに振り向けた方がよいと主張している。有人宇宙探査の支持者は、宇宙に駐留することの象徴性が、この運動に参加したいという一般大衆の関心を集め、世界的な協力を促す可能性があると主張している。また、人類の生存には宇宙旅行への長期投資が必要だという主張もある。[19]
火星に人間を送るために必要な資金を削減する要因の1つは、宇宙観光である可能性があります。宇宙観光市場が成長し、技術開発が行われるにつれて、他の惑星に人間を送るコストもそれに応じて低下する可能性があります。同様の概念は、パーソナルコンピュータの歴史で調べることができます。コンピュータが科学研究にのみ使用され、大企業ではあまり使用されていなかったとき、コンピュータは大きく、希少で、重く、高価でした。潜在的な市場が拡大し、コンピュータが企業で一般的になり、後に家庭（西洋諸国と先進国）で一般的になり始めると、家庭用デバイスの計算能力は急上昇し、価格は急落しました。[20]
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な課題が存在する。[24]
- 宇宙線やその他の電離放射線による健康への脅威。[25] [26] [27] [28] 2013年5月、NASAの科学者らは、 2011年から2012年にかけて地球から火星へ旅行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、火星への可能性のある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シーベルトだった。NASAの宇宙飛行士の生涯被ばく限度は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、ロンドン大学腎臓医学部の研究者らは、「火星ミッション中に宇宙飛行士がさらされる銀河放射線と微小重力に人がさらされる時間が長くなればなるほど、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]
- 長期の無重力状態による健康への悪影響には、骨密度の低下[35]や視力障害[36] [37] [38]などがあります（ミッションと宇宙船の設計によって異なります）。2019年11月、研究者らは、 11人の健康な宇宙飛行士を対象とした6か月間の研究に基づき、国際宇宙ステーションに搭乗中に宇宙飛行士が深刻な血流と凝固の問題を経験したと報告しました。研究者らによると、この結果は火星へのミッションを含む長期の宇宙飛行に影響を及ぼす可能性があります。 [39] [40]
- 地球からの孤立による心理的影響、ひいては地球とのリアルタイムの接続の欠如によるコミュニティの欠如（Hermitと比較）。
- 数人の人間が地球の 1 年以上 (宇宙船とミッションの設計によっては 2 年から 3 年の可能性あり) 窮屈な環境下で生活することによる社会的影響。
- 医療施設の不足。
- 推進装置または生命維持装置の潜在的な故障。
これらの問題のいくつかは、HUMEX研究で統計的に推定されました。[41] Ehlmannらは、政治的および経済的懸念、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]往復旅行のため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H 2 O（できれば液体の水ではなく氷）と大気中のCO 2を使用してメタンと酸素を生成することができます。[43]
惑星保護
火星へ向かうロボット宇宙船は殺菌が必要です。一般的な宇宙船の外側の許容限度は胞子30万個ですが、水を含む「特別な地域」に向かう宇宙船にはさらに厳しい要件があります。[44] [45]そうでなければ、生命探知実験だけでなく、火星自体を汚染するリスクがあります。[46]
人間ミッションをこのレベルまで殺菌することは不可能である。なぜなら、人間は通常、ヒト微生物叢の何千もの種からなる百兆（10 14 ）個の微生物を宿しており、これらを除去することはできないからである。封じ込めが唯一の選択肢のように思われるが、ハードランディング（すなわち、墜落）の場合には大きな課題となる。[47]この問題についてはいくつかの惑星ワークショップが開催されているが、前進するための最終的なガイドラインはまだない。[48]人間の探検家も、微生物のキャリアになった場合、地球への逆汚染に対して脆弱である。 [49]
ミッション提案
過去 70 年間にわたり、火星への有人宇宙飛行のための多種多様なミッション アーキテクチャが提案または研究されてきました。これには、化学推進、原子力推進、電気 推進のほか、さまざまな着陸、生活、帰還の方法論が含まれます。
多くの国や組織が、人類を火星に送る長期的な計画を持っています。
- 米国は現在、火星探査ロボットミッションを複数実施しており、将来的にはサンプルリターンも計画されている。オリオン多目的宇宙船（MPCV）は、打ち上げ/着水乗組員輸送機として機能することになっており、深宇宙居住モジュールが16か月に及ぶ旅のための追加の居住スペースを提供する。宇宙飛行士を火星に送り、火星を周回して地球に帰還する最初の有人火星ミッションは、2030年代に計画されている。[2] [50] [51] [52]米国政府の火星ミッションの技術開発は進行中だが、2030年代半ばまでに人類を火星に着陸させるという目標を掲げ、概念プロジェクトを完了させるための十分な資金のあるアプローチはない。 [53] NASAの資金提供を受けたエンジニアは、加圧した火星の土からレンガを製造し、そこに人間の居住地を建設する方法を研究している。[ 54]
- ESAは人間を送るという長期目標を掲げているが、2024年10月時点で有人宇宙船は建造されていない。2016年にはエクソマーズ[アップデート]などのロボット探査機を送り、次の探査機を2022年に送る計画だったが、ロシアのウクライナ侵攻によりプロジェクトは中断された。[55] 2022年11月時点では、NASAの支援を受けて2028年に探査機を送ることを検討していた。[56][アップデート]
技術革新とハードル
火星への有人宇宙飛行には大きな技術的ハードルを克服する必要がある。
火星の薄くて浅い大気圏に突入すると、再突入にかなりの困難が伴う。地球の大気圏よりもはるかに濃い大気圏と比べると、宇宙船は急速に地表に降下するため、減速しなければならない。[58]熱シールドを使用する必要がある。[59] NASAは、火星の大気圏突入への新たなアプローチを開発するため、逆推進減速技術の研究を行っている。推進技術に関する重要な問題は、突入と減速の超音速逆推進段階における流体の流れの問題と降下機の姿勢制御の処理である。[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にロケットを着陸させる必要がある。打ち上げ要件は、このロケットが地球から軌道までのロケットよりも大幅に小型になる可能性があることを意味する。火星から軌道までの打ち上げは、単段式でも達成できる。それにもかかわらず、上昇ロケットを火星に着陸させることは困難である。[要出典]
2014年にNASAは火星エコポイエシステストベッドを提案した。[61]
- 点滴液
必要となる可能性のある医療物資の1つは、大量の点滴液である。これは主に水であるが、他の物質も含まれているため、人間の血流に直接注入することができる。既存の水からその場で点滴液を作ることができれば、必要な質量は減るだろう。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]
- 高度な抵抗運動装置
長期間活動しない人は、筋力、筋肉、骨量が減少します。宇宙飛行の環境は宇宙飛行士の骨密度の低下を引き起こし、骨折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防ぐことはできません。
- 呼吸ガス
人間は純粋な酸素を呼吸することができますが、通常は窒素などの追加のガスが呼吸混合物に含まれています。1つの可能性は火星の大気中の窒素とアルゴンをその場で 使用することですが、それらを互いに分離することは困難です。[63]その結果、火星の居住地では40％のアルゴン、40％の窒素、20％の酸素が使用される可能性があります。[63]
呼吸する空気から二酸化炭素を排除するためのアイデアは、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す。[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つは火星の大気中に排出されます。[64]
- 食料の栽培
人類が火星で暮らすには、火星で食料を栽培する必要があるかもしれないが、それに伴う課題は数多くある。[66]火星の既存の表土を使って植物を育てるのに適した土壌を作ることは、表土に有機物が含まれていないことと、甲状腺、腎臓、そして人間の細胞全般にダメージ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さらに困難になっている。[67]また、環境は極地を除いて寒すぎて水も不足している。[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190万ドルの複数年助成金を共同で提供し、デハロコッコイデス・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研究しました。[68] D. mccartyiはまた、過塩素酸塩を無害な塩化物と有用な酸素に分解し、排泄物として土壌に有機物を残すため、死ぬと[68]一度に複数の問題を解決できる可能性があります。
関連ミッション
いくつかのミッションは、それ自体が「火星へのミッション」と見なされる場合もあれば、より詳細なプログラムの 1 つのステップにすぎない場合もあります。この例としては、火星の衛星へのミッションやフライバイ ミッションが挙げられます。
デイモスまたはフォボスへのミッション
多くの火星ミッションの構想では、火星の衛星への先行ミッションを提案している。例えば、火星の衛星フォボスへのサンプルリターンミッション[69]は、火星そのものというわけではないが、おそらく将来の火星表面ミッションへの便利な足がかりとなるだろう。ロッキード・マーティンは、「火星への足がかり」プロジェクトの一環として、「レッドロックス計画」と呼ばれ、ダイモスからロボットで火星を探索することを提案した。[70] [71] [72]
フォボスやデイモスの水資源から生産された燃料の使用も提案されている。
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、火星表面への有人ミッションの前身と見なされることもある。[73] 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。[73]火星サンプルリターンミッションの例としては、火星調査のためのサンプル収集がある。[74]火星サンプルリターンは、惑星十年調査2013-2022：惑星科学の未来によって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。[75]しかし、そ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1つの提案では、5機以上の無人宇宙船が関与している。[76]
サンプルリターン計画は、たとえ可能性が低くても、感染性物質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。 [ 76]いずれにせよ、サンプルの供給源（小惑星、月、火星の表面など）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。[77]
21世紀の幕開けとともに、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が[78] 、そのうち3つには人類着陸の前提条件として火星サンプルリターンが含まれていた[78] 。
2021年に火星に着陸した探査車パーサヴィアランスには、後日別のミッションで持ち帰る岩石サンプルを採取できる装置が搭載されている。[79]パーサヴィアランスは火星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。[80]
有人軌道ミッション
2004年から、NASAの科学者たちは軌道上の人間の宇宙飛行士からの遠隔操作による火星探査を提案してきた。 [81] [82]
同様のアイデアとして、「リアルタイムロボット操作による人間探査」ミッションが提案された。[83] [84]
4分から24分に及ぶ通信遅延を短縮するために、 [85]長い遅延なしでロボットや火星航空機を制御する有人火星軌道ステーションの設置が提案されている。[86]
参照
- デルタv予算 – 宇宙ミッションの速度の総変化の推定
- 火星の生命 – 火星の微生物の居住可能性に関する科学的評価
- 火星へのミッションのリスト
- 火星アナログ居住地 - 火星の環境をシミュレートする研究
- 火星砂漠研究ステーション – 最も長く稼働している火星類似居住地
- 火星設計基準ミッション – 火星への有人ミッションの概念設計研究
- 火星協会 – 火星探査の支援団体
- 宇宙天気 – 宇宙物理学と航空学の分野
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火星の生物汚染は、宇宙飛行士が汚染された塵を吸い込んだり、居住地に持ち込まれた物質に触れたりした場合に発生する可能性がある。宇宙飛行士が汚染または感染した場合、火星の生物や病気を他の宇宙飛行士に感染させたり、地球に帰還した際に火星の生物圏に持ち込んだりする可能性がある。地球に帰還した汚染された車両や機器も汚染源となる可能性がある。
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地球に第 1 段を推進力で帰還させる要件、そして火星に重いペイロードを着陸させる要件、この 2 つが重なり合う領域があり、ちょうど重なり合っています...打ち上げロケットから始めて、制御された方法でそれを降ろしたい場合、火星に関連する条件を実現するために、適切な高度で超音速領域で推進システムを運用することになります。
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さらに読む
- コリンズ、マイケル (1988 年 11 月)。「火星へのミッション」ナショナル ジオグラフィック。第174巻、第 5 号。732 ～ 764 ページ。ISSN 0027-9358。OCLC 643483454 。
外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、火星への有人ミッションに関連するメディアがあります。
- 火星の有人探査: 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
- リファレンス ミッション バージョン 3.0、火星有人探査設計リファレンス ミッション 3.0 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。火星への最も有人ミッション プロジェクトのリスト
- より長い参考文献は、NASAからPDF形式で入手できるPortreeの本の参考文献に記載されています。
