惑星間宇宙飛行

惑星間宇宙飛行または惑星間旅行は、通常単一の惑星系内での、恒星と惑星の間の有人または無人の旅行です。^[1]実際には、このタイプの宇宙飛行は、太陽系の惑星間の旅行に限定されています。無人の宇宙探査機は、太陽系の観測されたすべての惑星のほか、準惑星の冥王星とケレス、およびいくつかの小惑星に飛行しています。周回衛星と着陸機は、フライバイミッションよりも多くの情報を返します。有人飛行は月に着陸しており、火星、金星、水星への飛行が時折計画されています。多くの科学者が無人飛行が提供する知識の価値を高く評価している一方で、有人ミッションの価値はより議論の余地があります。SF作家は、小惑星の採掘、太陽光発電へのアクセス、地球が大惨事になった場合の植民地化のための余地など、いくつかの利点を提案しています。

惑星間飛行をより経済的にするために、多くの技術が開発されてきました。コンピューティングと理論科学の進歩により、すでにいくつかの技術は改善されていますが、新しい提案により、速度、燃費、安全性が向上する可能性があります。移動技術では、太陽系内の 1 つの天体から別の天体に移動するために必要な速度の変化を考慮する必要があります。軌道飛行の場合、目的の天体の軌道速度に合わせるために追加の調整を行う必要があります。その他の開発では、ロケットの打ち上げと推進力の向上、および非従来型のエネルギー源の使用が計画されています。地球外の資源をエネルギー、酸素、水に使用すると、コストが削減され、生命維持システムが改善されます。

有人惑星間飛行には、特定の設計要件を満たす必要があります。生命維持システムは、長期間にわたって人間の生命を維持できるものでなければなりません。放射線への被ばくを減らし、最適な信頼性を確保するための予防措置が必要です。

遠隔誘導宇宙探査機は、水星から海王星まで、太陽系の観測されたすべての惑星を通過しており、ニューホライズンズ探査機は準惑星冥王星を通過し、ドーン探査機は現在準惑星ケレスを周回している。最も遠い探査機であるボイジャー1号と2号は2018年12月8日時点で太陽系を離れており、パイオニア10号、パイオニア11号、ニューホライズンズは太陽系を離れる予定である。^[2]

一般的に、惑星周回衛星や着陸機は、フライバイミッションよりもはるかに詳細で包括的な情報を返します。宇宙探査機は、古代人が知っていた5つの惑星すべての周回軌道に配置されています。最初は金星（ベネラ7号、1970年）、火星（マリナー9号、1971年）、木星（ガリレオ、1995年）、土星（カッシーニ/ホイヘンス、2004年）、そして最近では水星（メッセンジャー、2011年3月）で、これらの天体とその自然衛星に関するデータを返しています。

2000年のNEARシューメーカー計画は、地球近傍小惑星433エロスを周回し、着陸にも成功したが、この計画はこのような計画を想定して設計されていなかった。日本のイオン推進探査機はやぶさも2005年に地球近傍小惑星 25143イトカワを周回し、短時間着陸して表面物質の粒子を地球に持ち帰った。別のイオン推進探査機ドーンでは、大型小惑星ベスタを周回し（2011年7月～2012年9月）、その後準惑星ケレスへと移動し、2015年3月に到着した。

バイキング、パスファインダー、2機の火星探査ローバーなどの遠隔操作着陸機は火星の表面に着陸しており、複数のベネラとベガの宇宙船は金星の表面に着陸し、後者は金星の大気圏に気球を展開した。ホイヘンス探査機は土星の衛星タイタンへの着陸に成功した。

太陽系のどの惑星にも有人ミッションは送られていない。しかし、NASAのアポロ計画は12人を月に着陸させ、地球に帰還させた。もともとジョージ・W・ブッシュ米大統領によって導入され、コンステレーション計画を通じて実現されたアメリカ宇宙探査ビジョンは、最終的には火星に人間の宇宙飛行士を送ることを長期目標としていた。しかし、2010年2月1日、バラク・オバマ大統領は2011年度中にこの計画を中止することを提案した。NASAによって重要な計画が立てられた以前のプロジェクトには、有人金星フライバイ・ミッションによる金星の有人フライバイが含まれていたが、 1960年代後半のNASAの予算削減により アポロ応用計画が終了したため中止された。

惑星間旅行のコストとリスクは大きく報道されています。その顕著な例としては、Mars 96、Deep Space 2、Beagle 2など、人間の乗組員がいない探査機の故障や完全な失敗が挙げられます( 「太陽系探査機の一覧」の記事に完全な一覧が記載されています)。

多くの天文学者、地質学者、生物学者は、太陽系の探査は、地球表面や地球周回軌道からの観測では得られない知識をもたらすと信じている。しかし、有人ミッションのコストとリスクが正当化されるかどうかについては意見が分かれている。有人宇宙飛行の批判者は、ロボット探査機の方が費用対効果が高く、1ドルあたりの科学的知識がより多く得られると主張している。ロボットは高価な生命維持システムを必要とせず、片道ミッションに送ることができ、人工知能の進歩に伴って能力が向上している。^[3]宇宙飛行士または宇宙を旅する科学者は、地球上の科学者の助言を受ければ、探査している地域の新しい特徴や予想外の特徴に、より柔軟かつインテリジェントに対応できると主張する人もいる。^[4]

一般市民の中には、宇宙活動が自分自身や人類全体にもたらす具体的な利益を主な理由として評価する人もいる。これまでのところ、この種の利益は宇宙ミッションのために開発され、その後他の活動でも少なくとも同等に有用であることが判明した「スピンオフ」技術のみである。しかし、少なくとも米国では、国民の支持は有人宇宙飛行よりも基礎科学研究の方が高いままである。2023年の調査では、アメリカ人は地球を危険にさらす小惑星の監視と気候変動の理解に次いで、NASAにとって基礎研究を3番目に高い優先事項と評価している。科学研究​​への支持は、月や火星への有人飛行の約4倍である。^[5]

スピンオフ作品の他に、惑星間旅行の実際的な動機は、より推測的なものである。しかし、SF作家は、将来の技術を予​​測することに関して、かなり優れた実績を持っている。たとえば、静止通信衛星（アーサー・C・クラーク）や、コンピュータ技術の多くの側面（マック・レイノルズ）などである。

多くの SF ストーリーでは、小惑星から鉱物を抽出したり、軌道上の太陽電池パネル(雲に妨げられない) や木星の非常に強い磁場などのエネルギー源からエネルギーを抽出したりする方法について詳細に説明されています。そのような技術は、汚染や地球資源の枯渇 (たとえば石油ピーク) によって妨げられることなく生活水準を向上させる唯一の方法であると主張する人もいます。

有人宇宙飛行には、冒険や、人間は宇宙で精神的に運命づけられているという信念など、非科学的な動機もあります。^{[6] [7]}

最後に、太陽系の他の部分に完全に自給自足の植民地を築くことができれば、可能であれば、人類がいくつかの可能性のある出来事によって絶滅するのを防ぐことができるだろう (人類絶滅を参照)。これらの可能性のある出来事の 1 つは、白亜紀 - 古第三紀絶滅イベントを引き起こした可能性のある小惑星の衝突である。さまざまなスペースガードプロジェクトが太陽系を監視し、地球に危険なほど接近する可能性のある物体を検出しているが、現在の小惑星の軌道変更戦略は粗雑でテストされていない。この作業をさらに困難にしているのは、炭素質コンドライトがかなり煤けているため、検出が非常に難しいことである。炭素質コンドライトはまれであると考えられているが、中には非常に大きいものもあり、「恐竜を殺した」と疑われているものは炭素質コンドライトであった可能性がある。

宇宙研究所のメンバーを含む一部の科学者は、人類の大多数が最終的には宇宙で生活し、その恩恵を受けるだろうと主張している。^[8]

惑星間旅行における主な課題の 1 つは、太陽系内のある天体から別の天体へ移動するために必要な非常に大きな速度変化を生み出すことです。

太陽の引力により、太陽から遠ざかる宇宙船は減速し、太陽に近づく宇宙船は加速する。また、2つの惑星は太陽から異なる距離にあるため、宇宙船が出発した惑星は、宇宙船が移動している惑星とは異なる速度で太陽の周りを回っている（ケプラーの第三法則に従って）。これらの事実により、太陽に近い惑星に移動することを望む宇宙船は、太陽を横切るために太陽に対する速度を大幅に減らす必要があり、太陽から遠い惑星に移動する宇宙船は、大幅に速度を上げなければならない。^[9]次に、さらに宇宙船が目的の惑星の周りの軌道に入りたい場合（単に通過するのではなく）、太陽の周りの惑星の軌道速度に合わせる必要があり、通常はさらに大きな速度変更が必要になる。

これを単に力ずくで行う（目的地までの最短ルートで加速し、その後惑星の速度に合わせる）と、非常に大量の燃料が必要になります。また、これらの速度変化を生み出すために必要な燃料はペイロードと一緒に打ち上げられる必要があり、そのため、宇宙船と惑星間旅行に必要な燃料の両方を軌道に乗せるにはさらに多くの燃料が必要になります。そのため、惑星間旅行の燃料要件を削減するためのいくつかの技術が考案されました。

速度変化の一例として、単純な軌道で低地球軌道から火星へ移動する宇宙船は、まず速度変化（デルタvとも呼ばれる）（この場合は約3.8km/sの増加）を経験する必要がある。次に、火星を迎撃した後、火星の太陽の周りの軌道速度に一致させて周回軌道に入るために、さらに2.3km/s速度を変更しなければならない。^[10]比較すると、宇宙船を低地球軌道に打ち上げるには、約9.5km/sの速度変化が必要である。

長年、経済的な惑星間旅行とは、ホーマン遷移軌道を使うことを意味していました。ホーマンは、2 つの軌道間のエネルギーが最も少ない経路は、開始軌道と目的軌道に接する楕円形の「軌道」であることを実証しました。宇宙船が到着すると、2 回目の推力の適用により、新しい場所で軌道が再び円形になります。惑星遷移の場合、これは、元々地球とほぼ同じ軌道上にある宇宙船を、遷移軌道の遠日点が太陽の反対側、他の惑星の軌道近くになるように方向付けることを意味します。この方法で地球から火星に移動する宇宙船は、約 8.5 か月で火星の軌道付近に到着しますが、軌道速度は質量中心 (つまり太陽) に近いほど速く、中心から遠いほど遅くなるため、宇宙船は非常にゆっくりと移動し、火星の周りの円形軌道に乗せるには、わずかな推力の適用だけで十分です。もしこの操作が適切なタイミングで行われれば、そのとき火星は宇宙船の下に「到着」していることになる。

ホーマン遷移は、惑星が関与する軌道だけでなく、任意の 2 つの軌道に適用されます。たとえば、これは、まず低地球軌道に「駐車」した衛星を静止軌道に転送する最も一般的な方法です。ただし、ホーマン遷移には、外側の軌道の軌道周期の半分に等しい時間がかかるため、外側の惑星の場合は何年もかかり、待つには長すぎます。また、これは、たとえば地球の周りの 2 つの軌道間で転送する場合のように、両端の点が質量を持たないという仮定に基づいています。転送の宛先の端に惑星がある場合、計算はかなり難しくなります。

重力スリングショット技術は、惑星や衛星の重力を利用して、燃料を使わずに宇宙船の速度と方向を変える。典型的な例では、宇宙船はホーマン転移が要求するよりもはるかに速い経路で遠くの惑星に送られる。これは通常、宇宙船が惑星の軌道に到着し、それを通り過ぎることを意味します。しかし、出発地点と目標地点の間に惑星がある場合は、それを利用して目標地点への経路を曲げることができ、多くの場合、全体的な移動時間が大幅に短縮されます。その代表的な例は、ボイジャー計画の2機の宇宙船で、スリングショット効果を利用して太陽系の外側で軌道を数回変更しました。この方法を太陽系の内側の部分への旅に使用することは困難ですが、金星や月などの他の近くの惑星をスリングショットとして使用して、外惑星への旅を行うことは可能です。

この操作は、物体の速度を、関係のない第 3 の物体 (おそらく「質量の中心」または太陽) に対する相対速度のみに変更することができます。操作に関係する 2 つの物体の相対速度は変化しません。太陽は、太陽の周りを回る太陽系の他の部分と比較して静止しているため、重力スリングショットに使用することはできません。太陽は天の川銀河の中心の周りを回っているため、宇宙船や探査機を銀河に送り込むのに使用できます。

パワードスリングショットとは、物体に最も接近した地点（近点）またはその付近でロケットエンジンを使用することです。この時点での使用はデルタvの効果が倍増し、他の時点よりも大きな効果をもたらします。

ホーマン遷移軌道が最初に提案されたとき（1925年）にはコンピュータは存在せず、重力スリングショットが開発されたとき（1959年）にはコンピュータは遅く、高価で、信頼性が低かった。最近のコンピュータの進歩により、天体の重力場のより多くの特徴を利用できるようになり、より低コストの軌道を計算することができるようになった。^{[12] [13]さまざまな惑星の}ラグランジュ点をいわゆる惑星間輸送ネットワークにリンクする経路が計算されている。このような「あいまいな軌道」は、ホーマン遷移よりも大幅に少ないエネルギーしか使用しないが、はるかに遅い。これらは通常数年から数十年かかるため、有人ミッションには実用的ではないが、人類が宇宙ベースの経済を開発すれば、低価値商品の大量輸送に役立つ可能性がある。

エアロブレーキングは、目標惑星の大気を利用して減速する。アポロ計画で初めて使用された。帰還する宇宙船は地球の軌道に入らず、代わりにS字型の垂直降下プロファイル（最初は急降下から始まり、その後水平になり、その後わずかに上昇し、その後再び正の降下率に戻り、海に着水し続ける）を使用して地球の大気圏を通り、パラシュートシステムが展開されて安全に着陸できるようになるまで速度を落とした。エアロブレーキングには厚い大気は必要ない。たとえば、ほとんどの火星着陸船はこの技術を使用しているが、火星の大気の厚さは地球の約1%にすぎない。

エアロブレーキは宇宙船の運動エネルギーを熱に変換するため、宇宙船が燃えるのを防ぐために熱シールドが必要となる。その結果、エアロブレーキは、熱シールドを惑星に輸送するために必要な燃料が、シールドのない宇宙船のエンジンを点火してブレーキをかけるために必要な燃料よりも少ない場合にのみ役立つ。これは、ターゲットの近くで入手可能な材料から熱シールドを作成することで対処できる。^[14]

燃料を節約し、従来のホーマン転移法よりも大幅に高速な移動を可能にする技術がいくつか提案されている。まだ理論上のものもあるが、時間の経過とともに、理論的アプローチのいくつかが宇宙飛行ミッションでテストされてきた。例えば、ディープ・スペース1ミッションはイオン・ドライブの成功したテストだった。^[15]これらの改良技術は通常、以下の1つ以上に焦点を当てている。

• 燃費がはるかに優れた宇宙推進システム。このようなシステムにより、燃料コストを許容範囲内に抑えながら、はるかに高速な移動が可能になります。
• 太陽エネルギーと現地資源の利用により、地球の重力に逆らって地球表面から部品や燃料を輸送するという高価な作業を回避または最小限に抑えます (以下の「地球外資源の利用」を参照)。
• 異なる場所や異なる方法でエネルギーを使用する新しい方法論により、輸送時間を短縮したり、宇宙輸送の単位質量あたりのコストを削減したりできる。

こうした改良により、移動速度が速くなったりコストが削減されたりするだけでなく、宇宙船を軽量化する必要性が軽減され、設計上の「安全マージン」を拡大できる可能性もある。

すべてのロケットの概念は、ツィオルコフスキーロケット方程式によって制限されています。この方程式は、排気速度と質量比（初期質量（M ₀、燃料を含む）と最終質量（M ₁、燃料がなくなった質量））の関数として、利用可能な特性速度を設定します。主な結果として、乾燥質量（ペイロードと燃料なしのロケットの質量）がロケット全体の湿質量（燃料を含むロケットの質量）の10％未満に低下するため、ロケットモーター排気速度（車両に対して）の数倍を超えるミッション速度は急速に非現実的になります。

核熱ロケットや太陽熱ロケットでは、作動流体（通常は水素）が高温に加熱され、ロケットノズルから膨張して推力を生み出します。このエネルギーは、従来のロケットエンジンの反応性化学物質の化学エネルギーに代わるものです。水素は分子量が小さく、熱速度が高いため、これらのエンジンは、原子炉の重量を考慮しても、化学エンジンの少なくとも 2 倍の燃料効率があります。^[要出典]

米国原子力委員会とNASAは1959年から1968年にかけていくつかの設計をテストした。NASAの設計はサターンVロケットの上段の代替として考えられたが、テストの結果、主にエンジンを高推力レベルで稼働させる際の振動と加熱に起因する信頼性の問題が明らかになった。政治的および環境的配慮から、そのようなエンジンが近い将来使用される可能性は低い。核熱ロケットは地球表面またはその近くで最も有用であり、故障の結果は悲惨なものになる可能性があるからである。核分裂ベースの熱ロケットのコンセプトは、以下に説明する電気およびプラズマのコンセプトよりも排気速度が低いため、あまり魅力的なソリューションではない。惑星脱出など、高い推力対重量比を必要とする用途では、核熱の方が潜在的に魅力的である。^[16]

電気推進システムは、原子炉や太陽電池などの外部ソースを使用して電気を発生させ、その電気を使って化学的に不活性な推進剤を、化学ロケットよりもはるかに高い速度まで加速します。このようなドライブは推力が弱いため、素早い操作や惑星の表面からの打ち上げには適していません。しかし、 作動質量の使用が非常に経済的であるため、何日も何週間も連続して噴射し続けることができます。一方、化学ロケットは反応質量を非常に早く使い果たしてしまうため、数秒または数分しか噴射できません。月への旅行でさえ、電気推進システムが化学ロケットを追い抜くには十分な長さです。アポロ計画では、片道3日間かかりました。

NASAのディープ・スペース・ワンは、プロトタイプのイオン・ドライブのテストとして非常に成功した。このエンジンは合計678日間噴射され、探査機はボレリー彗星に接近することができた。これは化学ロケットでは不可能だった偉業である。イオン・ドライブを主な推進力として用いたNASA初の運用（技術実証ではない）ミッションであるドーンは、メインベルトの大型小惑星帯 1ケレスと4ベスタの周回に成功した。より野心的な原子力バージョンは、人間の乗組員を乗せない木星探査ミッションである木星氷衛星探査機（JIMO）用であり、当初は10年後のいつかの打ち上げが計画されていた。NASAの優先順位が人間の乗組員による宇宙ミッションにシフトしたため、このプロジェクトは2005年に資金援助を失った。同様のミッションが現在、エウロパとガニメデの探査のためのNASA/ESA共同プログラムの米国側として議論されている。

ジョンソン宇宙飛行センターを中心とするNASAの多拠点技術応用評価チームは、2011年1月時点で、最大6人の乗組員を乗せて最長24か月間低地球軌道(LEO) を超えたミッションに有用な多目的宇宙探査機の概念研究である「ノーチラス-X」について説明している。 ^{[17] [18]}ノーチラス-Xは、さまざまな低推力、高比推力(I _sp ) 設計のさまざまなミッション固有の推進装置に適応可能である が、説明のために核イオン電気駆動が示されている。これは、国際宇宙ステーション(ISS) での統合とチェックアウトを目的としており、ISSから月および月を超えた地球/月L1、太陽/地球L2、地球近傍小惑星、火星軌道の目的地を含む深宇宙ミッションに適している。これには、乗組員の健康のために人工重力を提供し、長期間の無重力曝露の影響を軽減する低重力遠心分離機と、宇宙放射線環境を緩和する機能が組み込まれています。^[19]

すでに飛行した、または現在予定されている電気推進ミッションは、太陽電力を使用しており、太陽から遠く離れた場所での運用能力が制限され、電力源の質量により最大加速も制限されます。核電気エンジンまたはプラズマ エンジンは、低推力で長時間稼働し、核分裂炉で駆動されるため、化学動力の車両よりもはるかに高速に到達できます。

核融合反応で動く核融合ロケットは、重水素、三重水素、 ³ He などの軽元素燃料を「燃焼」します。核融合は、核燃料の質量の約 1% をエネルギーとして放出するため、燃料の質量エネルギーの約 0.1% しか放出しない核分裂よりもエネルギー的に有利です。ただし、核分裂または核融合のどちらの技術も、原理的には太陽系探査に必要な速度よりもはるかに高い速度を達成できるため、核融合エネルギーは地球上での実用的実証をまだ待っています。

核融合ロケットを使用する提案の1つはダイダロス計画である。有人太陽系探査用に設計・最適化されたもう1つのかなり詳細な宇宙船システム「ディスカバリーII」^[20]は、 D ^{3 He反応に基づきながら反応物質として水素を使用し、NASAの}グレン研究センターのチームによって説明されている。この宇宙船は、約1700トンの初期質量と10%を超えるペイロード率で、約1.7・10 ⁻³ gの加速度で300 km/sを超える特性速度を達成する。

核融合ロケットは惑星文明にとって惑星間輸送の有力な手段であると考えられている。^[21]

中期から長期的に惑星間ミッションの基礎となる可能性のある他の多くの技術については、宇宙船の推進に関する記事を参照してください。恒星間旅行の場合とは異なり、高速惑星間旅行の障壁は、基本的な物理学ではなく、工学と経済学に関係しています。

ソーラーセイルは、表面から反射された光が表面に圧力をかけるという事実に依存しています。放射圧は小さく、太陽からの距離の2乗で減少しますが、ロケットとは異なり、ソーラーセイルは燃料を必要としません。推力は小さいですが、太陽が輝き、セイルが展開されている限り継続します。^[22]

元の概念は、例えばアーサー・C・クラークの 1965 年の物語「サンジャマー」のように、太陽からの放射のみに依存していました。最近の光帆の設計では、地上のレーザーやメーザーを帆に向けることで推力を高めることを提案しています。地上のレーザーやメーザーは、光帆宇宙船の減速にも役立ちます。帆は外側と内側のセクションに分かれ、外側のセクションが前方に押されて機械的に形状が変えられ、反射された放射が内側のセクションに集中します。内側のセクションに集中した放射はブレーキとして機能します。

光帆に関する記事のほとんどは恒星間旅行に焦点を当てていますが、太陽系内での使用に関する提案もいくつかあります。

現在、ソーラーセイルを主な推進手段として使用している宇宙船は、JAXAが2010年5月21日に打ち上げたIKAROSのみです。その後、この宇宙船は正常に展開され、予想通りの加速を実現していることが示されています。多くの一般的な宇宙船や衛星も、燃料を使用せずに姿勢や軌道をわずかに修正するために、ソーラーコレクター、温度制御パネル、サンシェードを光帆として使用しています。この目的のために特別に作られた小型のソーラーセイルを搭載した宇宙船もいくつかあります（たとえば、EADS Astriumが製造したEurostar E3000静止通信衛星）。

異なる惑星間を循環する軌道にステーションや宇宙船を配置することは可能であり、例えば火星サイクラーは火星と地球の間を同期して循環し、軌道を維持するためにほとんど燃料を消費しない。サイクラーは概念的には良いアイデアである。なぜなら、巨大な放射線シールド、生命維持装置、その他の機器をサイクラーの軌道に一度だけ配置すればよいからである。サイクラーは、居住地（例えば、回転して「人工重力」効果を生み出す）、または母船（同乗する小型宇宙船の乗組員に生命維持を提供する）など、いくつかの役割を組み合わせることができる。^[23]サイクラーは、コロニーの補給のための優れた貨物船にもなり得る。

宇宙エレベーターは、惑星の表面から軌道上に物質を輸送する理論上の構造物である。^[24]アイデアは、エレベーターの建設という高価な仕事が完了すれば、最小限のコストで不特定多数の荷物を軌道上に輸送できるというものである。最も単純な設計でも、表面からのロケット打ち上げの悪循環を避けることができる。表面からのロケット打ち上げでは、軌道上への最後の 10% の距離を移動するために必要な燃料を表面からずっと持ち上げる必要があり、さらに多くの燃料が必要になるなどである。より洗練された宇宙エレベーターの設計では、カウンターウェイトを使用して 1 回の飛行あたりのエネルギーコストを削減し、最も野心的な計画では、上下する荷物のバランスをとることを目指し、エネルギーコストをほぼゼロにすることを目指している。宇宙エレベーターは、「豆の木」、「宇宙橋」、「宇宙リフト」、「宇宙はしご」、「軌道塔」と呼ばれることもある。 [ ^25]

地上の宇宙エレベーターは現在の技術の域を超えているが、月面の宇宙エレベーターは理論的には既存の材料を使って建造できる。

スカイフックは、ペイロードを高高度・高速度まで持ち上げることを目的とした軌道テザー推進の理論上のクラスである。 ^{[26] [27] [28] [29] [30]}スカイフックの提案には、高速ペイロードや高高度航空機を捕捉して軌道に乗せるために極超音速で回転するテザーを使用する設計が含まれる。^[31]さらに、回転スカイフックは「現在入手可能な材料では技術的に実現不可能」であると示唆されている。^{[32] [33] [34] [35] [36]}

SpaceXスターシップは、 2011年から2018年にかけてファルコン9とファルコンヘビーの打ち上げロケット用に開発されたSpaceXの再利用可能技術を利用して、完全に迅速に再利用できるように設計されています。^{[37] [38]}

スペースXのCEO、イーロン・マスクは、スターシップに関連する打ち上げロケットと宇宙船の両方の再利用機能だけでも、火星に運ばれる1トンあたりのシステム全体のコストがNASAがこれまでに達成したものより少なくとも2桁削減されると見積もっています。^{[39] [40]}

長期ミッションに必要なすべてのエネルギーを積んで地球表面から惑星間探査機を打ち上げる場合、ロケット方程式によって理論的に説明される基本質量制限のため、積載量は必然的に極めて限られる。惑星間軌道でより多くの質量を輸送する1つの代替案は、打ち上げ時に上段の推進剤をほぼすべて使い切ってから、地球軌道上で推進剤を補充し、その後ロケットを太陽中心軌道の脱出速度まで噴射することである。これらの推進剤は、軌道上の推進剤貯蔵庫に保管するか、推進剤タンカーで軌道に運んで惑星間宇宙船に直接移送することができる。質量を地球に戻すための関連する選択肢は、太陽系の天体から原材料を採掘し、反応生成物（推進剤）を精製、処理し、打ち上げのために機体に積み込む必要があるときまで太陽系の天体に保管することである。

2019年現在、SpaceXは、再利用可能な第1段の宇宙船が有人惑星間宇宙船を地球軌道まで運び、切り離して発射台に戻り、そこでタンカー宇宙船がその上に搭載され、両方に燃料を補給し、再び打ち上げられて待機中の有人宇宙船とランデブーするシステムを開発しています。タンカーはその後、惑星間航行で使用するために燃料を有人宇宙船に移送します。SpaceXスターシップはステンレス鋼構造の宇宙船で、高密度メタン/酸素推進剤で動作する6基のラプターエンジンで推進されます。全長55メートル（180フィート）、最大直径9メートル（30フィート）で、火星への1回の旅で最大100トン（220,000ポンド）の貨物と乗客を輸送でき、惑星間旅の前に軌道上で推進剤を補充します。^{[40] [37] [41]}

^{現在開発中の資金提供プロジェクト}の例として、SpaceXが火星向けに設計したシステムの重要な部分は、惑星間目的地への宇宙飛行のコストを大幅に削減するために、火星に物理的な工場を設置して運用することである。これは、宇宙船を打ち上げて地球に帰還させるために必要な推進剤コンポーネントの製造と保管を処理するため、またはおそらく太陽系の外の目的地まで輸送できる質量を増やすためである。^[40]

火星へ向かう最初の宇宙船は、貨物の一部として小型の燃料プラントを搭載する。このプラントは、より多くの機器が到着し、設置され、ほぼ自律的な生産体制に入るにつれて、複数のシノドスにわたって拡張される予定である。 ^[40]

SpaceXの燃料工場は火星の豊富な二酸化炭素と水資源を活用し、地下の氷から水（H ₂ O）を採掘し、大気からCO _{2 を}収集します。化学工場では、原材料を電気分解とサバティエ法で処理して酸素（O ₂）とメタン（CH ₄ ）を生成し、それを液化して長期保管と最終的な使用を容易にします。^[40]

現在の宇宙船は、全行程に必要な燃料（推進剤とエネルギー供給源）をすべて搭載して打ち上げようとしており、現在の宇宙構造物は地球の表面から持ち上げられています。地球外のエネルギー源と物質のほとんどははるかに遠くにありますが、そのほとんどは強い重力場から持ち上げる必要がないため、長期的には宇宙で使用する方がはるかに安価になるはずです。

最も重要な地球外資源はエネルギーです。これは、地球外物質を有用な形（エネルギーを生成するものもある）に変換するために使用できるためです。少なくとも 2 つの基本的な地球外エネルギー源が提案されています。1 つは、雲に妨げられない太陽エネルギー生成で、太陽電池によって直接生成するか、または発電機を駆動する蒸気を生成するボイラーに太陽放射を集中させることによって間接的に生成します。もう 1 つは、いくつかの惑星の強力な磁場から電気を生成する電気力学的テザーです（木星は非常に強力な磁場を持っています）。

水の氷は非常に有用であり、木星と土星の衛星に広く分布しています。

• これらの衛星の重力が低いため、地球の表面から水を汲み上げるよりも、宇宙ステーションや惑星基地にとってより安価な水源となるだろう。
• 地球外電源は、水の氷を電気分解して酸素と水素に変換し、二元推進ロケットエンジンで使用するために使用できます。
• 核熱ロケットや太陽熱ロケットは、これを反応物質として使用することができる。水素もこれらのエンジンでの使用が提案されており、はるかに大きな比推力（反応物質1キログラムあたりの推力）を提供するが、比推力が桁違いに低いにもかかわらず、コスト/性能の点で水は水素に勝ると主張されている。^{[42] [43]}
• 十分な水供給を備えた宇宙船は船体の下に水を運ぶことができ、船体とその乗員にかなりの追加の安全マージンを提供できます。
  • 水は太陽エネルギーを吸収して伝導し、熱シールドとして機能します。船体下の水が常に循環して太陽熱が船体全体に均等に分散されていれば、太陽系内を航行する船は、太陽に面した宇宙船の側面が過熱することなく、太陽に対して一定の進行方向を維持できます。
  • 水は電離放射線に対する追加の保護を提供します。
  • 水は、太陽系内部を移動する際に太陽によって、あるいは太陽からさらに離れた場所を移動する際に搭載された電源によって加熱されていれば、極寒に対する絶縁体として機能します。
  • 船体が区画化され、漏れが船体の小さな部分に隔離されることが保証されていれば、水は微小隕石の衝突に対していくらかの追加的な保護を提供するだろう。

酸素は月の地殻の一般的な成分であり、太陽系の他のほとんどの天体にも豊富に存在すると考えられます。地球外の酸素は、十分な水素源が見つかった場合にのみ、水氷の供給源として貴重です。^{[説明が必要]} 考えられる用途には以下が含まれます。

• 宇宙船、宇宙ステーション、惑星基地の生命維持システム。
• ロケット エンジンの場合、他の推進剤を地球から持ち上げる必要がある場合でも、地球外の酸素を使用すると、炭化水素燃料の場合は推進剤の打ち上げコストを最大 2/3 削減でき、水素の場合は 85% 削減できます。ほとんどのロケット推進剤の組み合わせで酸素が質量の大部分を占めるため、節約額は非常に大きくなります。

残念なことに、水素は、炭素や窒素などの他の揮発性物質と同様に、太陽系内部では酸素に比べてはるかに少ないです。

科学者たちは、太陽系の外縁部にある惑星、衛星、彗星の中には、多種多様な有機化合物が存在すると予想しており、その用途はさらに幅広い。例えば、メタンは燃料（地球外の酸素で燃焼）として、またはプラスチック製造などの石油化学プロセスの原料として使用できる。また、アンモニアは、軌道上および惑星基地の菜園で使用する肥料を製造するための貴重な原料となり、地球から食料を運ぶ必要性を減らすことができる可能性がある。

未加工の岩石であっても、マスドライバーを使用すればロケットの推進剤として役立つ可能性があります。

生命維持システムは、数週間、数か月、あるいは数年間にわたって人間の生命を維持できるものでなければなりません。十分な量の酸素、窒素、および制御されたレベルの二酸化炭素、微量ガス、水蒸気を含む、少なくとも 35 kPa (5.1 psi) の呼吸可能な大気を維持する必要があります。

2015年10月、NASA監察総監室は火星への有人ミッションを含む有人宇宙飛行に関連する健康被害報告書を発行した。^{[44] [45]}

宇宙船が低軌道を離れ、地球の磁気圏の保護を離れると、高放射線領域であるヴァン・アレン放射線帯に入ります。ヴァン・アレン帯を越えると、放射線レベルは一般的に低下しますが、時間の経過とともに変動する可能性があります。^[46]これらの高エネルギー宇宙線は健康を脅かします。これらの変動中の放射線の最小レベルでさえ、低軌道にいる宇宙飛行士の現在の年間制限に匹敵します。^[47]

ロシア科学アカデミーの科学者たちは、火星ミッションに備えて放射線誘発性癌のリスクを減らす方法を模索している。彼らは、乗組員が飲むための重水素（水素の安定同位体）含有量の低い飲料水を生成する生命維持システムを選択肢の1つとして検討している。予備調査では、重水素が除去された水には特定の抗癌効果があることがわかっている。したがって、重水素を含まない飲料水は、火星乗組員の極度の放射線被曝によって引き起こされる癌のリスクを下げる可能性があると考えられている。^{[48] [49]}

さらに、太陽からのコロナ質量放出は非常に危険であり、大規模な遮蔽物で保護されていない限り、非常に短い時間スケールで人間に致命的となる。^{[50] [51] [52] [53] [54] [55] [56]}

宇宙船が飛行中に重大な故障を起こすと、致命的となる可能性が高く、軽微な故障であっても、すぐに修理しないと危険な結果を招く可能性があります。これは宇宙空間では難しいことです。アポロ 13号の乗組員は、酸素タンクの故障による爆発にも関わらず生き残りました (1970 年)。^{[引用が必要]}

天体力学上の理由により、他の惑星への経済的な宇宙船による旅行は、特定の時間枠内でのみ現実的である。これらの時間枠外では、現在の技術では地球から惑星に実質的にアクセスできない。これにより飛行が制限され、緊急時の救助オプションが制限される。^[57]

• シードハウス、エリック（2012年）。『惑星間前哨基地：外惑星探査における人類と技術の課題』ニューヨーク：シュプリンガー。288ページ。ISBN 978-1441997470。