ロケットの打ち上げは費用がかかり、労力もかかるが、最新の衛星や望遠鏡、あるいは宇宙飛行士のチームをあの広大な宇宙に送り出したいと願う宇宙機関にとっては、何十年にもわたってビジネスを行うための代償となってきた。
しかし、新たなミッションとミッションコンセプトは、人類が地球外で確立された半永久的な存在となる、素晴らしい新世界への準備を進めています。それは、人類が51年間も到達していない月から始まります。しかし、そこで持続可能な長期的な存在を維持する方法を習得すれば、その先の広大な世界ははるかに実現可能に思えます。
人類が他の惑星や衛星へ移動し、居住することも、この計画の一部です。もう一つの要素は、周囲の環境を活用する実験やインフラの構築、つまり現場資源利用（ISRU）と呼ばれるプロセスです。
宇宙へどのように到達し、どのように利用するかは、宇宙をより深く理解するための根本的な問いです。私たちがこの青い地球から一歩踏み出し、その先の水（あるいはレゴリス）を探るにつれ、科学者たちは宇宙を理解するための新たな方法を開発していくでしょう。ギズモードは、宇宙の科学的探査を容易にする技術に取り組んでいる技術者、エンジニア、そして理論家に話を聞いてみました。
なぜ宇宙で科学研究をする必要があるのでしょうか?
地球上には、宇宙とその奇妙な現象を観測する観測所が数多く存在します。古代の光を観測する望遠鏡から、時空における重力の波紋の反響を感知する超高感度検出器まで、多岐にわたります。では、なぜ宇宙で科学研究が行われるのでしょうか？
まず、地球から宇宙を見るのは難しい。今年初めに発表された研究によると、光害による夜空の輝きによって、星が見えにくくなっているという。しかし、夜空の輝きはさておき、地球は過去46億年の間に形成された際、天体観測に最適化されていたわけではなかった。
「地球の表面からは、電磁スペクトルの膨大な部分が見えないのです」と、NASAジェット推進研究所の天文学者ポール・ゴールドスミス氏はギズモードとのビデオ通話で語った。「大気そのもの、特に私たちがここで生きることを可能にしてくれる大気中の水と酸素こそが、天文学者にとって困難な存在なのです。」
そのため、宇宙機関は軌道上に吊り下げられた観測装置を打ち上げます。これは、最初の成功した宇宙望遠鏡であり、すべての現代の宇宙望遠鏡の祖先であるOAO-2に始まります。しかし現在では、ウェッブ宇宙望遠鏡が地球から100万マイル離れた場所で遠赤外線と近赤外線を観測し、チャンドラX線観測衛星は地球からの放射線の影響を避けるため、地球から数万マイル離れた軌道を周回しています。
しかし、遠くからの観測、たとえ最も鋭い観察力を持つ天文観測機器を用いた観測であっても、科学的な成果には限界がある。月を考えてみよう。月の表土を調査し、望遠鏡でクレーターの地図を作成すると、月の形成や組成に関する手がかりが得られる。しかし、月のサンプル（具体的には、アポロ計画で採取されたもの、そして最近では中国の嫦娥5号着陸機で採取されたもの）を分析すると、月のガスの組成や月がどのようにして水を保持するのかに関して、科学者に貴重な知見が得られる。そして火星では、探査車パーサヴィアランスが岩石のサンプルを積極的に採取しており、最終的には火星サンプルリターン計画の一環として地球に輸送される。これらのサンプルは、火星の地質学的歴史に関するヒントだけでなく、赤い惑星がかつて古代の微生物生命を支えていたかもしれないという証拠を求めて調査される。
地球外生命の探査、さらには古代生命の兆候の探査は、極めて重要な探求です。もし、地球外生命が現在、あるいは過去に存在していたという兆候が発見されれば、宇宙探査の倫理性、そして宇宙で物質的に孤独ではないことの意味について、真剣な問いを投げかけることができるでしょう（私たちは長い間、これらの問いを仮説的に問い続けてきました）。地球外生命の兆候が発見されれば、宇宙機関や民間企業が優先するミッションの種類も変化するでしょう。
もちろん、火星に探査機を定期的に打ち上げてパーセベランスが収集しているようなサンプルを回収するよりも、火星表面を探索する継続的な人間の存在を確立する方が簡単で、長期的にはコスト効率も高くなると言えるだろう。
計画中のアルテミス計画は、その構想を月面で実証することになるかもしれない。アルテミス計画は、その名前にもかかわらず、実際にはアポロ計画の双子ではない。アポロ計画の目的は、月面を訪れてサンプルを採取し、その後、すべての宇宙飛行士を無事に地球に帰還させることだった。アルテミス計画は、月面のインフラ整備から、国際宇宙ステーションが地球に行っているように、岩石衛星の軌道上で宇宙飛行士を支援する宇宙ステーション「ルナ・ゲートウェイ」まで、月面での持続的な人類滞在の基盤を築くことになる。
最終フロンティアへのアクセスが容易
重要なのは、ロケット打ち上げコスト（ゴールドスミス氏の評価によれば、宇宙への新たなミッション実現における最大の障壁）が低下していることです。2023年には膨大な数のロケット打ち上げが見込まれ、再利用可能なロケットによって、より多くの打ち上げをより低コストで実現できるようになります。例えば、ガンターのSpace Pageによると、SpaceXの再利用可能なファルコン9は、今年これまでに行われた軌道打ち上げのほぼ半分を占めています。
「そこまで運ぶための乗り物が極端に高価にならないことを祈るしかありません。そうでなければ、すべてが手が出なくなってしまいます」とゴールドスミス氏は述べた。「ですから、商業宇宙飛行のコストが下がれば、宇宙や月面に到達できるようになり、単にそこへ行くためだけにお金を払うのではなく、ペイロードにもっと資金を投入して刺激的な科学研究に取り組むことができるようになることを期待しています。」
ロケットのコストが下がるにつれて、その出力と搭載量は増加しています。SpaceXが開発中の大型ロケット「スターシップ」は、同社の主力打ち上げロケットとしてファルコン9に取って代わると予想されています。
NASAのスペース・ローンチ・システム（SLS）は打ち上げ時に880万ポンド（約380万キログラム）の推力を発生させます。一方、高さ400フィート（約120メートル）のスターシップは、1650万ポンド（約80万キログラム）の推力を発揮します。また、Gizmodoが新型ロケットに関する徹底的な（しゃれではありません）ガイドで以前報じたように、スターシップは特大のペイロードフェアリング内に33万ポンド（約150トン）のペイロードを低地球軌道まで運ぶことができます。
簡単に言えば、スターシップはより重く、より大型の機器を宇宙に打ち上げる準備が整っており、科学者やエンジニアは将来のミッションコンセプトに、より多くの機能を盛り込むことができるようになります。言うまでもなく、ミッションコンセプトの限界は、実際に宇宙に打ち上げられるものによって常に制約されます。とはいえ、現在実現が目前に迫っている宇宙での製造技術は、はるかに複雑な宇宙用ツールの開発を可能にするでしょう。
同時に、新たな技術によって宇宙観測能力は向上しています。2021年12月に打ち上げられた100億ドル規模の宇宙望遠鏡、ウェッブ宇宙望遠鏡は、すでに1年分の科学画像に加え、遠方の分子雲や生命居住可能な惑星の存在など、様々な研究分野に関する膨大なデータを生み出しています。
ウェッブ宇宙望遠鏡の総ペイロード質量は13,670ポンドでした。ミッションの質量が必ずしもその影響の大きさを示すものではありませんが、ミッションペイロードの制限が緩和されることで（Starshipのおかげで）、ロケットに科学機器を搭載する機会が増えることになります。
ウェッブ望遠鏡は、地球から約100万マイル離れた宇宙空間に位置するL2に設置されており、これにより望遠鏡は最小限の燃料消費で宇宙を撮影することができます。また、この距離にあるため、地球からの光害や、他の天文台の画像に光の筋を映し出すような衛星群の過剰配置の影響も受けません。
皮肉なことに、未来の宇宙飛行ロケットを開発している企業が、低軌道の混雑を引き起こしている。ハーバード・スミソニアン研究所の天体物理学者ジョナサン・マクドウェル氏の統計によると、SpaceXはこれまでに5,048基のStarlinkインターネット衛星を打ち上げており、そのうち4,670基が現在運用されている。
メガコンステレーションの将来的な用途を正確に予測することは難しいが、天文学者たちはこれらの装置が望遠鏡による観測にどのような影響を与えるかをますます懸念している。科学者たちは衛星からの光跡を画像から除去できるソフトウェアを開発しているが、万能薬というよりは、むしろ一時的な対策に過ぎないようだ。
地球上では、史上最大のデジタルカメラのような機器が、大気の影響に関わらず、科学者がこれまで以上に鮮明に空を観測するのを支援するでしょう。この3.2ギガピクセルのカメラは、ヴェラ・ルビン天文台の「宇宙と時間のレガシー・サーベイ」の要となるでしょう。このサーベイは10年間にわたり、夜空を15秒ごとに撮影し、週に約1回、南半球の空全体のポートレートを撮影します。チリのアタカマ砂漠の高地に設置されるこのカメラは、地上に設置される他の望遠鏡に比べて、光害や大気の擾乱の影響をほとんど受けません。
新しい技術によって宇宙の見方が革新され、ロケット打ち上げ価格が下がったことにより、科学的ミッションをより頻繁に打ち上げられるようになり、発見の速度が加速しています。
宇宙科学の未来はどうなるのでしょうか?
地球外科学ミッションをめぐる重要な問題は、誰が、あるいは何がそれを建設するのかということです。宇宙は人間にとって住みにくい場所です。激しい気温変化、放射線、呼吸できる空気などほとんどなく、食料や水源もすぐには得られません。したがって、その答えはロボットです。火星を飛行し、火星の岩石の歴史を掘り下げるロボットが開発されているのですから、人間にはできない、あるいは人間がすべきではない作業を、もっと多くのロボットを宇宙に送り込むのはいかがでしょうか？
オランダのデルフト工科大学の生物学者で宇宙システム研究者のアンジェロ・フェルミューレン氏は、宇宙（いや、宇宙）の人々は2種類の探検家を互いに相容れないものと見なす場合があり、これは宇宙コミュニティ内で「ややデリケートな」話題であると語った。
「こういう議論になるのは少し残念ですね。おそらく両方だと思うので」と、ヴァーミューレン氏はビデオ通話でギズモードに語った。「ご想像の通り、人間とロボットのコンパニオンが一緒にいることは、両方の長所を兼ね備えているように思えます」
ヴァーミューレン氏は、最近『Frontiers in Astronomy and Space Science』に発表された、生体再生型生命維持システム、つまり宇宙を旅する間に自らを調整し適応できるシステムについて研究した論文の共著者である。
「恒星間探査を始めるのに、新たな物理法則を発見する必要はありません」とヴァーミューレン氏は述べた。「40年から100年の間に、（最も近い恒星に）到達できるようになるはずです。こうして私たちは、複数世代にわたる宇宙旅行という領域に足を踏み入れます。そこには、もちろん倫理的な問題も含め、独自の課題が伴いますが、私はその点を恐れていません。」
ヴァーミューレン氏の「進化型小惑星宇宙船」プロジェクトのために設計されたのと同じタイプのシステムは、最も近い恒星よりもはるかに近いターゲット、つまり月にも適用できる可能性があります。NASAは10年以内に人類を再び月に送り込む計画であり、寒冷で大気のない月面での持続的な人類の滞在を可能にするシステムの設計は極めて重要です。そして、地球外科学実験の試験場であるNASA革新的先進概念（NIAC）プログラムほど、これらの課題に取り組んでいる組織はありません。
NIACは、人類が地球外へ旅し、宇宙を探査する能力を向上させるためのプロジェクトに、資金提供を受けながら着実に取り組んでいます。火星の土壌を耕作地に変える方法の研究から、レーザーを使った宇宙船の推進まで、NIACの提案は、まだ問題となっていない課題を解決することを目指しており、人類が将来問題が生じた際に備えることができます。
そうした設計の一つが、フレキシブル・レビテーション・オン・ア・トラック（FLOAT）提案です。これは、月の表土（あるいは月にある他の重い物）の移動を支援する磁気浮上システムです。このシステムは浮遊するベルトコンベアのように動作するように設計されており、月面の凹凸を気にすることなく採掘された物質を月面に輸送します。FLOATの主任研究者（SWIM NIACコンセプトの主任研究者、NASAの火星探査機パーサヴィアランスのロボットシステムエンジニアでもある）であるイーサン・シェーラー氏は、コンセプトに取り組んでいる時はミッションの設計は（ある種）楽しくて遊びのようなものだと言います。「飛行用のハードウェアを作り始める時、悪魔は常に細部に潜んでいます」とシェーラー氏はビデオ通話でGizmodoに語りました。
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「私は研究に関しては楽観主義者です。斬新なアイデアや、それがどのように機能するかを考えるのが大好きです」とシェーラー氏は付け加えた。「そして、実際のミッションに関しては現実主義者です。ミッションに取り組んでいるときは、あらゆる失敗の可能性を考え、それらすべてを回避する方法を考案しなければなりません。」
地球外への重量物輸送のための浮上軌道は、月を想定して設計されたNIACのミッション構想の一つに過ぎません。さらにSF的な構想もあります。月の裏側にあるクレーターを、宇宙の暗黒時代から放射される超長波長の電波の検出器に変えるというNIACのミッション構想、月クレーター電波望遠鏡（LCRT）です。
「暗黒時代が暗黒物質と物質の相互作用を観察するのに適した時期である理由は、他に何も起こっていないからです。最初の星が誕生した瞬間、暗黒エネルギーの痕跡はすべて失われます」と、NASAジェット推進研究所のロボット技術者でLCRTチームのメンバーであるサプタルシ・バンドヨパディアイ氏は、ギズモードとのビデオ通話で語った。
月の裏側に位置するということは、望遠鏡のデータを軌道衛星に送信し、その衛星がデータを地球に送信する必要があることを意味します。
「LCRTには二重の問題があります」と、LCRTプロジェクトのメンバーでもあるゴールドスミス氏は述べた。「一つは、非常に低い周波数になると、地球の電離層が信号を遮断し始めることです。そしてもう一つの問題は、地球上のあらゆるものからの送信による干渉によって、探している信号が簡単にかき消されてしまうことです。」
したがって、ロボットが設置する月面望遠鏡は月の裏側に設置される必要があり、特定の範囲の低周波の電波を探すだけなので、支持者にとっては、天文学界全体にとっての有用性と比較して、そのコスト（数十億ドルから数十億ドル程度）を正当化するのは難しいかもしれない。
「天文学部では、初期宇宙科学に関心を持つ少数の人を除いて、誰もこのことに関心がありません」とバンディオパディアイ氏は付け加えた。「ですから、私たちにとってこのような道のりは、かなり困難なものになるでしょう。」
バンディオパディアイ氏は、地球外で実施される科学ミッションの種類を3つの種類に分類した。宇宙からのみ実行可能なミッション、宇宙設置型機器を地球設置型機器と連携させて使用するミッション、そして宇宙で人類の生存を維持するための科学ミッションである。これら3つはすべて人類の計画に含まれているが、3つ目のミッションを優先すれば、前者2つはより容易になるだろう。月、火星、そしておそらくその後もどこか他の場所に人間が滞在することで、地球上の科学者が遠隔地で問題を診断・解決するよりも迅速に問題解決が可能になるだろう。
無限の彼方へ？
運が良ければ、そして十分な計画があれば、人類は10年以内に再び月へ到達するでしょう。宇宙機関と民間企業は、人類を火星へ送り込み、地球上で持続可能な長期的な居住を可能にするために必要な技術を開発しています。恒星間旅行の実現にはまだまだ遠い道のりですが、不可能ではありません。
「私も他の多くの人も、地球をゆりかごのように見ていると思います」とヴァーミューレン氏は語った。「地球は出発点です。そして、私たちがどこから来たのか、この巨大な宇宙に手を伸ばして繋がり、その奥深くへと進んでいくことには、美しさがあるのです。」
未来のテクノロジーは、地球外へ旅し、そこに滞在する技術が実現した時に人類が備えられるように、今日設計されています。そして、たとえそのような技術が実現したとしても、私たちはそれらの技術を革新し、ツールの製造コストを削減し、デザインをより直感的で使いやすいものにするなど、様々な工夫を凝らす必要があります。
現時点では、人類を火星に輸送することは実現不可能である。それは、打ち上げの機会が短く断続的な長い旅であり、人類を運ぶ宇宙船は放射線から適切に保護される必要がある。
「もしそれを理解できれば、人類は真に惑星を旅する文明を築くことができるでしょう」とバンディオパディアイ氏は述べた。「100年後には、月や火星に基地が築かれているでしょう。そして、それらすべてを実現するには、まずどのように実現するかを考え出す必要があります。」
宇宙飛行の進歩は遅いと感じることもありますが、ミッションの設計と打ち上げに携わる人々の綿密な作業にもかかわらず、実際には猛スピードで進んでいます。一歩引いて、10年前と比べてどれだけ多くのことが行われているかを見れば、私たちがまさに全く新しいタイプの宇宙探査の瀬戸際にあり、それに伴う新たな発見の数々が待ち受けていることに気づくでしょう。
詳細: 宇宙飛行の今後の展望
