新たな研究では、火星でロケット燃料を生産するための生物学的解決策が詳述されているが、この興味深いアイデアを実現するには大きなハードルを乗り越える必要がある。
NASAは、今後10年間に火星を訪れる計画を進めていますが、燃料事情を整理している最中です。赤い惑星へのロケット打ち上げ自体が問題なのではなく、火星への帰還のためにロケットを地表から離陸させることが課題となっています。必要な推進剤を製造するには大量のメタンと液体窒素が必要になりますが、ロケット燃料の主要成分であるこれらの物質は、火星では燃料精製所と同じくらい希少です。
Nature Communicationsに掲載された新たな研究では、火星に必要な30トンのメタンと液体酸素を輸送するには80億ドルの費用がかかると推定されています。この高額な費用は、この30トンに加え、さらに470トンの追加ペイロードを地球低軌道に打ち上げるために、次期SLSロケットを4回に分けて打ち上げる必要があることに起因しています。NASAのInnovative Advanced Conceptsプログラムからの資金援助を受けて、この論文の著者らは、推進剤の製造に必要な主要原料を火星から直接調達するという、全く異なる解決策を考案しました。
これらの材料には、二酸化炭素、凍った水、そして太陽光が含まれます。藍藻類としても知られるシアノバクテリアと、遺伝子組み換えされた大腸菌株が、大規模な光バイオリアクターの構築に必要な資材とともに、地球から火星に持ち込まれます。ジョージア工科大学化学・生体分子工学部の研究者であり、本研究の筆頭著者であるニック・クルーヤー氏と彼の同僚は、太陽光と二酸化炭素をエネルギー源とするシアノバクテリアが糖を生成し、それを大腸菌が実用的な推進剤に変換するという生産戦略を概説しました。
2,3-ブタンジオールと呼ばれるこの燃料は、これまでに発明された推進剤の中で最もエネルギーの高いものではないが、火星の比較的低重力環境では、このロケット燃料で十分に機能すると研究者らは主張している。化合物としては、2,3-ブタンジオールはゴムの製造に使用されていることから既によく知られているが、科学者たちはこれまでこれを推進剤として利用することを思いついたことはなかった。
他の科学者たちは、メタンが唯一の解決策だと考えていました。「メタンとは、火星に豊富に存在する二酸化炭素から化学的に作ることができる高エネルギー燃料だからです」と、研究の共著者であり、ジョージア工科大学化学・生化学科の准教授であるパメラ・ペラルタ＝ヤヒヤ氏は、ギズモードへのメールで説明しました。「この論文の重要な洞察は、火星の重力は地球の3分の1であるため、より幅広い化学物質を推進剤として使用できる可能性があるということです。つまり、エネルギー密度の低いロケット推進剤を使用できるということです。」
火星に輸送されるプラスチック材料は、サッカー場4面分の大きさの光バイオリアクターアレイに組み立てられる。光合成と二酸化炭素によってシアノバクテリアが成長し、別のリアクター内の酵素が微生物を糖に分解する。クルーイアー氏がプレスリリースで指摘したように、「生物学は二酸化炭素を有用な物質に変換することに特に優れている」ため、「ロケット燃料の製造に適している」。論文によると、大腸菌の段階で発酵液から推進剤を分離することで、純度95%が得られるという。
火星ロケット推進剤のバイオ生産は、NASAが提案する化学的解決策、つまり大量のメタンを火星に輸送する計画よりも32%少ない電力で済む。44トンものクリーンな余剰酸素が生成され、宇宙飛行士がこれを有効活用できる。さらに、提案されている化学的解決策は副産物として一酸化炭素を生成するため、「これは除去する必要がある」とペラルタ＝ヤヒヤ氏は述べた。「水の電気分解も想定されているが、この化学的戦略は技術的成熟度が低い」と彼女は付け加えた。
取り組み全体のコスト削減については、科学者らによると、この解決策では提案されている化学戦略よりも2.8倍のペイロード質量が必要になるため、実現は容易ではない。これは大きな問題だ。研究者らは、光バイオリアクターのサイズを最小限に抑えるなど、装置の軽量化に取り組む必要があるだろう。
とはいえ、この新しい論文の「重要な貢献」は、ペイロードの質量を削減しつつ、NASAのメタン計画よりも59%の電力消費量を削減するための「達成可能な」最適化ソリューションを特定したことだとペラルタ＝ヤヒヤ氏は説明した。「こうした最適化には、低温下でのシアノバクテリアの成長率を向上させることが含まれており、シアノバクテリアの養殖場の小型化につながるでしょう」と彼女は付け加えた。
ジョージア工科大学のエンジニアで研究共著者のマシュー・リアルフ氏は、火星で実際にシアノバクテリアが増殖できることを示すには実験が必要だと述べた。リアルフ氏はメールで、「太陽からの距離と大気による太陽光のフィルタリングの欠如による火星の太陽スペクトルの違いを考慮する必要がある」と説明した。また、「高レベルの紫外線がシアノバクテリアにダメージを与える可能性がある」ことも念頭に置いておく必要があると述べた。
研究者たちは、地球上の微生物による火星の汚染についても警戒する必要がある。シアノバクテリアと大腸菌を安全に封じ込めることは、宇宙生物学者が地球上の生物の干渉を受けずに火星の過去の生命の痕跡を探し続けるために不可欠なステップとなるだろう。
NASAの現在の惑星保護ガイドラインは、微生物を他の惑星の表面に送り込むことを明確に禁止しているが、ペラルタ＝ヤヒヤ氏の説明によると、「火星におけるバイオテクノロジーの応用は、化学プロセスに比べて明確な利点をもたらす可能性がある」という。研究チームは、この解決策を安全に保つために、物理的な障壁、キルスイッチ、反応炉外で生存できないように設計された微生物など、複数の封じ込め戦略を開発・試験する予定だ。
科学者たちは深刻な問題に対する魅力的な解決策を提案しました。確かにまだ多くの課題が残っていますが、良いスタートと言えるでしょう。火星は不毛の砂漠かもしれませんが、資源が全くないわけではありません。私たちは、それらを最大限に活用する方法を見つける必要があるのです。
訂正：この記事の以前のバージョンでは、500トンのペイロードを低軌道に打ち上げるには「1回の打ち上げ」が必要だと誤って記載していました。実際には、これほど重いペイロードはSLSによる4回の打ち上げに分割して打ち上げる必要があります。
さらに：新たな研究によれば、火星の入植者は自らの血液を使ってコンクリートを生産できる可能性がある。
