画像クレジット：NASA
誰もが知っているように、化学ロケットは宇宙探査には遅すぎます。おそらく最も効率的なのは、旅程のさまざまなポイントでさまざまな種類の推進力が使用されるハイブリッドシステムです。この記事では、NASAが現在取り組んでいるテクノロジーの内訳を示します。
「お母さん、まだそこにいるの？」
すべての親は、車の後部座席からその叫びを聞いています。通常、家族旅行の開始から約15分後に始まります。家から数百マイルまたは数千マイル以上移動することはめったにありません。
しかし、たとえば火星に旅行していたとしたらどうでしょう。数年おきに地球に最も接近しても、赤い惑星は常に少なくとも3500万マイル離れています。そこに6か月、最高で6か月前。
「ヒューストン、私たちはまだそこにいますか？」
「化学ロケットは遅すぎる」とNASAのマーシャル宇宙飛行センターで宇宙輸送技術のマネージャーを務めるLes Johnsonは嘆く。 「彼らは飛行の初めにすべての推進剤を燃やし、それから宇宙船は道の残りの部分をただ惰走します。」宇宙船は重力アシストによって加速することができますが、Voyager 1を太陽系の端まで飛ばした土星の周りなど、惑星の周りの天空のひび割れです。惑星間の往復の移動時間は、まだ年単位で測定されています。数十年に。そして、最も近い星への旅は、数千年とまではいかなくても数世紀かかります。
さらに悪いことに、化学ロケットは燃料効率が高すぎるだけです。ガソリンスタンドのない国を横切ってガソリンガズラーを運転することを考えてください。大量のガスを運ぶ必要がありますが、それ以外はほとんど必要ありません。宇宙ミッションでは、旅程で燃料（または燃料のタンク）ではないものをペイロード質量と呼びます。たとえば、人、センサー、サンプラー、通信機器、食品などです。燃費が自動車の燃料効率にとって有用な性能指数であるのと同様に、「ペイロード質量分率」（ミッションのペイロード質量とその総質量の比率）は、推進システムの効率にとって有用な性能指数です。
今日の化学ロケットでは、ペイロードの質量分率は低くなっています。 「最小エネルギーの軌道を使用して6人の乗員を地球から火星に送る場合でも、化学ロケットだけで、総発射質量は1,000メートルトンを超え、そのうちの約90％が燃料になります」とBret G. Drakeは述べています。ジョンソン宇宙センターの宇宙打ち上げ分析と統合のマネージャー。燃料だけで完成した国際宇宙ステーションの2倍の重さになります。
今日の化学推進技術を使用した単一の火星探査では、数十回の発射が必要になります。そのほとんどは、単に化学燃料を発射することになります。 1トンのコンパクトカーは、平均して1ガロンあたり1マイルしかないため、ニューヨーク市からサンフランシスコまでの運転に9トンのガソリンが必要だったかのようです。
言い換えれば、低性能推進システムは、人間がまだ火星に足を踏み入れていない主な理由の1つです。
より効率的な推進システムは、宇宙空間での「燃費」を向上させることにより、ペイロードの質量分率を高めます。推進剤はそれほど必要ないので、より多くのものを運ぶことができ、より小さな車両に乗ることができます。 「重要なメッセージは次のとおりです。火星への低コストのミッションを可能にする高度な推進技術が必要です」とドレイクは宣言しました。
したがって、NASAは現在、イオンドライブ、ソーラーセール、その他のエキゾチックな推進技術を開発しています。これらは、何十年もの間、人類を他の惑星や星に押し寄せてきましたが、SFのページでしかありませんでした。
亀からうさぎへ
科学的事実のオプションは何ですか？
NASAは2つの基本的なアプローチに取り組んでいます。 1つ目は、化学推進よりも桁違いに優れた燃料経済性を備えた、根本的に新しいロケットを開発することです。 2つ目は、深宇宙の真空に豊富なリソースを搭載した「無推進」システムを開発することです。
これらのテクノロジーはすべて、1つの重要な特徴を共有しています。それらは、ことわざのような亀のようにゆっくりと始まりますが、時間の経過とともに、実際には火星またはどこかでレースに勝つノウサギに変わります。彼らは、何ヶ月にもわたる小さな連続的な加速が、最終的に1つの巨大な最初のキックとそれに続く長期間の惰走よりもはるかに速く宇宙船を推進できるという事実に依存しています。
上：この低推力の宇宙船（アーティストのコンセプト）は、イオンエンジンによって推進され、太陽光発電を利用しています。やがて、クラフトは速度を上げて-容赦ない加速の結果-毎秒何マイルも走ります。画像クレジット：John Frassanito＆Associates、Inc.
技術的には、これらはすべて低推力（手のひらの上に置かれた紙の重さのように、やや穏やかな加速を感じることがほとんどないことを意味します）ですが、動作時間が長いシステムです。数か月間小さな加速を続けた後、あなたは毎秒何マイルもの速さで走っています！対照的に、化学推進システムは高推力と短い動作時間です。エンジンが点火している間、あなたはシートクッションに押しつぶされますが、それはほんの一瞬です。その後、タンクは空になります。
低燃費ロケット
「ロケットは、何かを船外に投げ出して前進させるものです」とジョンソン氏は指摘しました。 （その定義を信じませんか？高圧ホースを片側に向けてスケートボードに座ると、反対方向に推進されます）。
先端ロケットの有力候補は、イオンエンジンの変種です。現在のイオンエンジンでは、推進剤はキセノンなどの無色、無味、無臭の不活性ガスです。ガスは、電子ビームが流れる磁石リングチャンバーを満たします。電子は気体の原子に衝突し、外部の電子をノックして中性原子を正に帯電したイオンに変えます。多数の穴（今日のバージョンでは15,000）を備えた電化グリッドは、イオンを宇宙船の排気に集中させます。イオンは、時速100,000マイルを超える速度でグリッドを通過します（時速225マイルのインディアナポリス500レースカーと比較してください）。エンジンを加速して宇宙空間に送り込み、推力を生み出します。
電気はどこからガスをイオン化してエンジンを充電するのですか？ソーラーパネルから（いわゆるソーラー電気推進）、または核分裂または核融合から（いわゆる核電気推進）。太陽電気推進エンジンは、太陽と火星の間のロボットミッション、および太陽光が弱い火星外のロボットミッション、または速度が重要な人間のミッションに最も効果的です。
イオンドライブが機能します。彼らは、地球でのテストだけでなく、実用的な宇宙船でも知られています。最も有名なのはディープスペース1で、9月にボレリー彗星を飛んで写真を撮った、太陽電気推進を利用した小さな技術テストミッションです。 2001. Deep Space 1を推進したようなイオンドライブは、化学ロケットの約10倍の効率です。
無推進剤システム
ただし、最低質量の推進システムは、搭載された推進剤をまったく搭載していないシステムです。実際、ロケットではありません。その代わり、真の開拓者スタイルで、彼らは「陸地から離れて生きる」。宇宙の豊富な天然資源にエネルギーを頼りに、昔の開拓者は動物を捕まえ、フロンティアで根や果実を見つけることに頼っていた。
2つの主要な候補は、ソーラーセールとプラズマセールです。効果は似ていますが、操作メカニズムは大きく異なります。
ソーラーセイルは、太陽からの光（または地球からのマイクロ波またはレーザービーム）を捕らえるために深宇宙に広げられた、ゴッサマーの非常に反射率の高い材料の巨大な領域で構成されています。非常に野心的な任務の場合、帆の面積は数平方キロメートルにも及ぶ可能性があります。
ソーラーセイルは、太陽の光子には質量はありませんが、地球の距離で平方メートルあたり数マイクロメートル（コインの重さあたり）の運動量があるという事実を利用しています。この穏やかな放射圧により、帆とそのペイロードが太陽から遠ざかるようにゆっくりと確実に加速され、毎時最大150,000マイル、または毎秒40マイルを超える速度に達します。
よくある誤解は、太陽の帆が太陽の風、つまり太陽の外気から離れて沸騰する高エネルギーの電子と陽子の流れを捕らえるというものです。そうではありません。ソーラーセイルは日光自体から勢いを得ています。しかし、いわゆる「プラズマセール」を使用して太陽風の勢いを利用することは可能です。
プラズマ帆は地球自身の磁場をモデルにしています。強力な搭載電磁石は、直径15〜20 kmの磁気バブルで宇宙船を囲みます。太陽風の高速荷電粒子は、地球の磁場と同じように、磁気バブルを押します。このように押し出されても地球は動きません。私たちの惑星は大きすぎます。しかし、宇宙船は太陽から徐々に遠ざけられます。 （追加のボーナス：地球の磁場が太陽爆発や放射嵐から私たちの惑星を守るのと同じように、磁気プラズマ帆は宇宙船の乗員を保護します。）
上：磁気バブル（または「プラズマセイル」）内の宇宙探査機のアーティストのコンセプト。太陽風中の荷電粒子が泡に当たり、圧力をかけ、宇宙船を推進します。 [もっと]
もちろん、実証済みの推進剤を使用しないオリジナルのテクノロジーは、重力アシストです。宇宙船が惑星によって揺れるとき、それは惑星の軌道運動量の一部を盗むことができます。これは大規模な惑星にほとんど影響を与えませんが、それは宇宙船の速度を印象的に高めることができます。たとえば、1990年にガリレオが地球を揺らしたとき、宇宙船の速度は毎時11,620マイル増加しました。一方、地球はその軌道で年間50億分の1インチ未満の速度で減速しました。このような重力アシストは、あらゆる形式の推進システムを補足するのに役立ちます。
さて、あなたは惑星間空間をジップしているので、どのようにして目的地で減速して駐車軌道に入り、着陸の準備をしますか？化学的推進力を使用する場合、通常の手法は、レトロロケットをもう一度発射することで、大量の機内燃料を必要とします。
エアロキャプチャにより、はるかに経済的なオプションが約束されています。目的地の惑星の大気との摩擦によって宇宙船を制動します。もちろん、トリックは高速の惑星間宇宙船を燃やさないことではありません。しかし、NASAの科学者は、適切に設計されたヒートシールドがあれば、上層大気を1回通過するだけで、多くのミッションを目的の惑星の周りの軌道に取り込むことができると考えています。
先に！
「単一の推進技術がすべての人のためにすべてを行うことはありません」とジョンソンは警告しました。実際、ソーラーセイルとプラズマセイルは、人間ではなく、主に貨物を地球から火星に推進するのに役立つ可能性があります。「これらの技術が速度を上げるのに時間がかかりすぎる」とドレイクは付け加えました。
それにもかかわらず、火星への有人任務を達成する上で、いくつかの技術のハイブリッドは実際に非常に経済的であることが判明する可能性があります。実際、化学推進、イオン推進、および航空捕獲の組み合わせにより、6人の火星ミッションの発射質量を450メートルトン（6回の発射のみを必要とする）未満に減らすことができます。これは、化学推進だけで達成できる半分以下です。
このようなハイブリッドミッションは次のようになります。通常どおり、化学ロケットは宇宙船を地面から離します。いったん低軌道に入ると、イオン駆動モジュールが点火するか、地上コントローラーがソーラーまたはプラズマ帆を配備する可能性があります。 6〜12か月間、宇宙船は、乗組員が地球のヴァンアレン放射線帯で大量の放射線に曝されるのを避けるために一時的に無人でしたが、次第に加速し、最終的な地球出発軌道まで加速します。その後、乗組員は高速タクシーで火星の車両まで運ばれます。次に、小さな化学段階が車両を蹴上げて速度を逃れ、火星に向かいます。
地球と火星はそれぞれの軌道を公転しているため、2つの惑星間の相対的なジオメトリは常に変化しています。火星への打ち上げの機会は26か月ごとに発生しますが、最も安価で最速の旅行のための最適な調整は15年ごとに発生します。次の旅行は2018年に予定されています。
おそらくそれまでに、「ヒューストン、まだそこにいるのか」という質問に対する別の答えがあるでしょう。
元のソース：NASAサイエンスストーリー
