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100年宇宙船-恒星間旅行のすべて [宇宙のロマン]

アポロ11号で世界で初めて月面に降り立ったニール・アームストロング氏が8月25日に亡くなりました。

“これは一人の人間にとっては小さな一歩だが、人類にとっては偉大な飛躍である。 (That's one small step for [a] man, one giant leap for mankind.)”

と月面でアームストロング宇宙飛行士が語った言葉はあまりにも有名です。(アポロ11号についてはこちらに特別記事があります)

月面に降り立ったアームストロング船長
ニールアームストロング


さて、人類が月に到着したのは1969年7月20日。
それからすでに43年経ったわけですが、よく考えれば、あの当時予想されたほど宇宙開発は進んでいません。

ちなみに、LobyがSF映画の傑作と考える『2001年宇宙の旅』では、題名通り2001年には人類がすでに惑星間航行(木星まで)をやることになっていますが、2001年どころか、2010年(続編の『2010年宇宙の旅』ではソ連が木星まで宇宙船を送り込む話になっている)をとっくに過ぎた2012年になっても、人類は月から先に一歩も足を伸ばしていません。

もっともっと宇宙開発を進めて欲しいと思う気持ちと、偉大な足跡を宇宙開発史に残したニール・アームストロング氏の功績に思いを馳せつつ、今日は“人類の夢”である、恒星間旅行について話したいと思います。

 




このところ火星探査の話題(ニュース)でもりあがっていますが、NASAはかなり以前から火星へ“片道切符”の宇宙船を送り込む計画をもっていたそうです。この計画については、当ブログでも以前取り上げました(記事を見る)が、この「火星植民地パイオニア計画」には、NASAがやはり20年間ほど構想してきた「100年宇宙船-100-Year Starship」という計画が密接に関係しています。

そこで今日は、DARPA(国防高等研究計画局)が2011年に開催した『100-Year Starship Study』シンポジウムで様々なアイデアと議論がされた、惑星間宇宙船および恒星間宇宙船の話題も含め話しを展開したいと思います。

espaconave100anos.jpg


そもそも、シロウトが聞いたら無謀とも思える“片道切符”の火星旅行というのは、地球にもっとも近づいた時でさえ5600万キロもの距離がある火星へ人間を送り込むのには、膨大な量の食料・水、燃料などが必要となるため、とてつもなく巨大なロケット、もしくは5~6隻の宇宙船が必要となるからです。そしてこのようなビッグ計画は資金面でも技術面でもかなり困難。そこから片道切符”旅行という奇抜なアイデアが出たもの。つまりNASAの“苦肉の策”というわけです。

 

往復に1年半かかる火星旅行
m-04.jpg




さて、太陽系内の惑星であれ、太陽系外の恒星であれ、宇宙空間を長い間を航行するためには、克服すべきさまざまな難関があります。 太陽系に最も近い恒星(ケンタウルス座アルファ星)でさえ4光年あまり離れていおり、もっとも地球に似た系外惑星と言われるグリーズ581c(Glise-581c)にいたっては20光年以上もの距離があるのです。


Glise-581d.jpg


恒星間旅行

さて、今回は目標を太陽系外惑星、仮に上に挙げたグリーズ581cに定めるとして、どのようなロケット・宇宙船が必要なのか、またどのような問題をクリアしなければならないのかについて見てみたいと思います。

まず第一に、グリーズ581cまでは分かりやすい単位に変換すると190兆Kmの距離があり、現在考え得るもっとも速い宇宙船の速度(光速の10分の1)で航行したとしても約200年もかかるのです。これはあくまでも直線距離をベースとしての計算で、実際は太陽系内外の天体の重力などの影響があることから、いかなる推進装置をもつ宇宙船といえど直線には航行できない(相対性理論)ため、ヘタをすると(地球時間にして)300年とか400年とかかかるかもしれないのです。
 


推進方式

航行時間が50年も100年もかかる宇宙旅行の場合、現在主流の化学燃料エンジンは水力の弱さ、それと膨大な重量を積載しなければならないというハンデから、最初から除外します。

まず最初に実現の可能性が高い推進装置として挙げられるのが原子力エンジン。 「はやぶさ」で有名になったイオンエンジンも原子炉と組み合わせて使用すれば、より効率的になりますが、ここではより大きい推力と高い噴射速度(比推力)の両方を得られる原子力エンジンを見てみます。

原子力熱核ロケット

熱核ロケット (Nuclear thermal rocket) は、核分裂炉又は核融合炉の高熱により直接推進剤(通常は水素)を加熱膨張させ、ノズルから噴出して推進する方式で、米国ではオリオン計画で検討がされました。オリオンは、1年以内に地球から冥王星に到達し、戻ってくることができる能力をもちます。

オリオン計画では熱核ロケットエンジンの採用が検討された
恒星間宇宙船オリオン


原子力プラズマロケット

一方、英国の「ダイダロス計画」(Project Daedalus)では、レーザー核融合ロケットエンジンを採用。電子ビームによる重水素/ヘリウム3のレーザー核融合を使い、1秒間に250個の燃料ペレットを核融合連続爆発させ、そこから生じたプラズマを磁場によるノズルにより制御する推進法が考えられました。

ダイダロス号は地球軌道に建設され、全長は195メートル、54,000トンの重量を持ち、そのうち燃料が50,000トン、実質的なペイロードは450トン。2段式の宇宙船として計画されていました。第1段ロケットは2.年間動作し、ダイダロス宇宙船を光速の7.1%まで加速した後、放棄され、第2段ロケットは1.76年間で宇宙船を光速の12%まで加速して停止、その後は慣性飛行を行います。

高さ195メートル、重量5万トンを超すダイダロス号
ダィダルス

ダイダルス比較


バサード・ラムジェット

宇宙空間中に散在している水素分子を主とする星間物質を強力な磁場によってかき集めて燃料(推進剤)にする、というのが「バサード・ラムジェット」(Bussard ramjet、恒星間ラムジェットとも)です。ラムジェットエンジンが、自身の、空気との相対速度自体によって作動することにちなんでつけられた名前で、理論上はバサード・ラムジェットが作動させられる速度までの加速に必要な燃料さえあれば、後はいくらでも加速できるという事になります。磁場を調節することで水素分子だけをラムスクープ(収集用の磁場を発生させる枠)に捉え、質量の大きな微小天体は素通りさせてしまう巨大なザルのようなものが想定されていて、宇宙船本体はザルの中心にぶら下がる形となります。

宇宙空間にある水素を燃料とするバサード・ラムジェット
バサードラムジェットエンジン

このシステムの問題は星間物質を集めるための磁場(ラムスクープ)の直径が惑星なみの大きさになる事、ラムスクープを形成するためのエネルギー、そして磁場が船内の機器や人体にあたえる影響の問題があります。また、星間水素密度が予想より遥かに薄く、1970年代にはバサード・ラムジェットは現実的には不可能であるとされています。

反物質ロケットエンジン

現在、恒星間航行を可能にする宇宙船の動力となる高エネルギー源として、もっとも有望視されているのは反物質である。加速器によって生成した反粒子を十分に冷却した状態で反応させる事により、安定した反物質(反水素)が生成できる事は確認されており、これを安全に保存できるなら、将来的なエネルギー源(正しくはエネルギーを保有する方法)として利用できる可能性がある。ただし、現代の技術水準では1gの反物質を製造するには巨大加速器を100億年にわたって反物質の製造に専念させる必要がある。

反物質ロケットのイラスト
反物質宇宙船

反物質ロケット

反物質ロケット噴射

ダイソン球と呼ばれる、恒星を巨大な人工構造物で覆って、恒星から発生するエネルギーを利用する超巨大な構造物のアイデアがあるが、これを利用して恒星の発するエネルギーをすべて反物質製造に費やせるなら、数年~数十年程度で恒星間航行に必要な動力が得られると云う計算がある。

ダイソン球の想像図
ダイソン球

これは実現の可能性はないとは言えないが、途方もないアイデアであり、そこまで大掛かりな装置で無くとも、公転軌道上に直径750m程の大きな粒子加速器付きの人工惑星(形状としては、太陽に向いた巨大アサガオのような物)を200個程度設置すれば、約20年ほどで恒星間航行が可能になるのに十分な反物質20トンが蓄えられるといいます。
現在の技術水準では、直径750mの人工惑星200個を太陽の公転軌道に乗せることも非常に難しいかもしれませんが、月面のマスドライバーや惑星軌道上の工場衛星が現実的な未来の話として挙がっている以上、まんざら途方もないSFの話とも決めつけられません。


亜光速旅行の問題点

さて、これまでに見てきた原子力ロケットエンジンは、すべて亜光速に達するものですが、太陽系外の惑星などに到着するためには超長期にわたる航行期間が必要であり、そのためには快適な居住スペースが不可欠です。これは無重力、もしくは弱い重力の環境に人間が長時間住むと生体機能に支障をきたすためです。そのほかにも寿命の問題や精神面の問題もあります。

恒星間宇宙船には有人・無人(ロボット宇宙船)の2種類があり、どちらのタイプを選択するかによって恒星間宇宙船に大きな違いをもたらしますが、ロボット宇宙船の場合なら致命的な故障となる機械的なトラブルも、十分な技術力を持つクルーがいる有人恒星船の場合なら、トラブルをクリアできるという大きなメリットがあります。
しかし、ロボット宇宙船では、型通りの調査活動や物質輸送には十分でもそれ以外の用途には意味をなさないと思われるため、ここでは主に有人恒星間宇宙船をメーンにとりあげ、どのような問題が出てくるのかを見てみます。

恒星間旅行には快適な居住スペースをもつ宇宙船が必要となる
space_ship.jpg

旅行期間が100年以上かかると予想される恒星間旅行で、人間が乗り越えなければならないもっとも大きな問題は“時間”です。 たとえば、前にもあげた「グリーズ581d」惑星までは最低200年かかるため、そこに人間を送り込むために考えられるオプションを参考まで挙げてみます。


冷凍方式
SFなどでよく見られる方法で、現在の科学で比較的実現性が高いと考えられます。文字通り、人間を冷凍して宇宙船に積み込み航行する方法で、“冬眠旅行”とも呼ばれます。
凍結したまま旅行するので、歳もとらず、病気などにもかかる問題もないため、もっとも理想的なように思えますが、(倫理的な問題はさておいて)安全の確保に問題があるのです。

「2001年宇宙の旅」でも冬眠カプセルが使われた

2001 training 2.jpg

 

それは、たとえ冷凍したとしても、宇宙空間の素粒子や放射線はひっきりなしに宇宙船を貫通して行き、衝突の際にはエネルギーを発生させる。この過程で凍結された人体は部分解凍と再凍結を繰り返し、また衝突した時のエネルギーは有機分子を変性させる可能性もあるため、人体を構成する分子構造が破壊される危険性がある。生命活動を行っている状態なら、少々の破壊は自己治癒するが、凍結されている場合は破壊される一方である。 このため、できるだけ短い期間で目的地に到着させて被曝量を減らすか、何らかのシールドで凍結人体を確実に守る必要があるが、前者は化学ロケットでは速度に問題があるし、後者はより技術的な進歩を待たなければならない。

遺伝子運搬方式
『断絶への航海』(ジェイムズ・P・ホーガン)、『遥かなる地球の歌』(アーサー・C・クラーク)、『ビブリオテーク・リヴ』(佐藤明機)等で言及されており、方法論的には2種類が想定される。実働する生身の人間がいない点が冷凍と共通する。
遺伝子データのみを搬送し必要時にのみ有機体として再生する方法。
凍結精子及び卵もしくは凍結受精卵を搬送し、想定される目的地到着期間を前倒しで解凍受精される方法。
しかし、冬眠船と同様の倫理上の問題、宇宙船外的素粒子による被爆問題以上に、有機化技術、人工子宮の開発、凍結解除(受精)後もしくは有機化再生後に使用する教育用AIの開発もしくは、遺伝子データを採取した人物のオリジナルの記憶を複製する技術、宇宙船のアクシデントを自動対処する修復システムの構築など技術的に克服しなければならない問題が多い。

小松左京の『すぺるむ・さぴえんすの冒険』に


世代交代方式 凍結なら個体単位で「いつかは他の恒星系へ」となる訳だが、これとは別のアプローチとして、種族として低速恒星船に乗り込み、世代交代を繰り返しながら他の恒星系に到達する方法がある。この方法は世代宇宙船とも呼ばれる。
SF作品としては、ロバート・A・ハインラインのSF小説『宇宙の孤児』(発表は1941年)に登場している。またアイザック・アシモフの『ネメシス』(1989年)には「宇宙コロニーとして既に機能していた宇宙国家そのものを他恒星系に飛ばす」というアイデアが登場しているが、こちらは超光速航法で1世代未満にて架空の太陽系近隣恒星系に到達しているため、世代宇宙船ではない。
これは航行期間にもよるが、到達時に目的を果たせるクルーが存在している必要性から、近親交配に陥らずに種族を維持できるのに十分な人数や、それらを教育出来る機能、更にはそれらの人員が生活できるだけの食糧や水・酸素を生産・消費可能なリサイクルを続けるために、循環する生物的な環境が必須となる。また居住スペースは人体活動を維持できる十分な重力がある必要がある。これらの必然性から、遠心力で擬似的な重力を作るためにも、ちょっとした宇宙コロニー並の居住スペースや食糧生産能力(いわゆる農業を行う機能)が必要になる。
また、これらの必然性により人員の数もスペースコロニー並みになる場合には、完全に孤立した社会の規模も小規模な都市国家並みとなることも予測される。この場合は、独力で航行する以上は政治や経済も独自の形態を維持する必要があると考えることができる。前出のハインラインの小説では、遥かな昔に船内で大規模な暴動が発生、船の運航に必要な人員を教育できなくなり、文明は技術を含め急激に後退、中世さながらの後退した社会で、独自の文化・価値観が迷信となって混乱を招いている様が描写されている。アシモフの作品では、強烈なカリスマ性を持つ指導者が人心を束ねる様子が描かれており、世代宇宙船では無いものの、開拓に十分な人員をもっていることから、到着後にすぐさま恒星系宇宙域の開発を行っている。
これは非常に巨大な居住スペースを持つ宇宙船を必要とするため、それを慣性に抗って駆動する強力なエンジンも必要となり、更にはそのエンジンを働かせるための十分な動力源を必要とする。こうなると、大量の燃料を抱えて飛ぶために更に巨大な推力を必要とし、ひたすら巨大化の一途を辿った化学ロケットのようなエンジンでは、もはや進む事すら不可能に近くなるため、原子力ロケットや核融合ロケット・電気ロケットなどの、たとえ小さい反発力でも、継続的に高速の推進剤を噴出する事で、前進が可能なロケットエンジンの登場が不可欠になる。
もし人工重力を船内に発生させる「人工重力場発生装置」なるものが発明されたなら、居住スペースはもっとコンパクトに出来るだろうが、そのような装置が作れるのであれば、むしろそれは「上も下も無い宇宙空間で、無限に一定方向に落下し続ける」(言い替えるなら「亜光速にまで加速する」)事が可能であろうから、推進エンジンに利用されると思われる。そのアイディアはジェイムズ・P・ホーガンの巨人たちの星シリーズで採用されている。


反物質ロケットエンジン宇宙船
ISV-Venturestar反物質宇宙船


理想の宇宙船はエンタープライズ?
USS_エンタープライズ




スペースコロニー

 

さて、恒星間旅行で、“もっとも快適そうで理想的そう”なのがスペースコロニータイプの宇宙船ではないか、と私は思います。 ということで、ここで一気にスペースコロニーについて見てみることにしましょう。

オーニル博士によるスペースコロニーの想像図
スペースコロニー1974
Designed in 1974 by Dr. Gerard O'Neill (Founder of the Space Studies Institute, www.ssi.org)

スペースコロニーは、1969年にアメリカのプリンストン大学にて、ジェラルド・オニール博士と学生たちのセミナーの中において、惑星表面ではなく宇宙空間に巨大な人工の居住地を建設するというアイデアから誕生しました。 それが1974年にニューヨーク・タイムズ誌に掲載されたことから広く一般に知られるようになりました。
オーニル博士の構想によれば、地球と月との引力の関係が安定する領域ラグランジュポイントに設置され、居住区域を回転させて遠心力によって擬似重力を得ます。コロニー内部には地球上の自然が再現され、人々が地球上と変わらない生活ができるようになるという構想です。

例えば直径約6kmの円筒形のスペースコロニーが地球と同じ重力(1G)を得るには、1分50秒で一回転すればいいわけです。これはかなりの高速ですが、地球と同じだけの重力を必要としないのであれば低速でもOKです。

地球全体での人口の爆発的増加・資源枯渇などに対する解決法の一つ(そのほか、確率は少ないが巨大隕石や彗星といった他天体衝突に対するリスク・ヘッジ)として注目されていましたが、冷戦が終結し各国の宇宙開発投資が削減されたこと、そしてとくに先進国においては出生率の低下傾向が続いていることなどから、今のところ現実のプロジェクトとして具体化してはいない。また、建築材料は月や小惑星から持ってくるとしても、居住する人間は地球から衛星軌道まで運ばねばならない。人数と費用を考慮すると軌道エレベータのような新規の輸送手段が必要である可能性もある。以上のような理由より、費用対効果の面から考えると、人口増加の解決策として有効であると言えないようです。現在では単に宇宙空間への植民手段の一つとして認識されているようです。

スペースエレベーターの想像図
スペースエレベーター



シリンダー型
1974年にジェラルド・オニールにより提案されたもので、読んで字のごとくシリンダー型をしています。オニール氏の著書『ハイ・フロンティア』(The High Frontier: Human Colonies in Space)では、「アイスランド3号(Island Three)」と呼ばれています。シリンダーは直径6km、長さ30kmで1000万人の人間が暮らせるという巨大なもので、1分50秒で1回転し、地球と同じ人工重力を発生させます。円筒内部は軸方向に6つの区画に分かれており、交互に陸と窓の区画となっています。窓の外側には太陽光を反射する可動式のミラーが設置され、昼夜や季節の変化を作り出します。


ベルナール球型
ベルナール球またはバナール球(Bernal sphere)は、1929年にJ・D・ベルナール(John Desmond Bernal)が提案したデザイン。原案では、直径16kmの球殻に2万~3万人の人口を想定していた。後にスタンフォード大学にて再設計され、直径500m、1万人の人口で、1.9rpmで回転して赤道部分に地球と同等の重力を持つ構造のものが提唱されるようになった。この設計案では、太陽光は外部に設置された鏡にて反射され、極付近の大きな窓から取り込まれる。この再設計したものは、オニールの著書ハイ・フロンティアにて島1号(Island One)と呼ばれている。また、直径1.8km、人口14万人に拡大したものは島2号(Island Two)と呼ばれている。

ベルナール球の想像図
bernal3.jpg



スタンフォード・トーラス型

スタンフォード・トーラスの想像図
スタンフォード・トーラス


コロニー内部


スタンフォード・トーラス(Stanford torus)は、1975年にスタンフォード大学にて設計されたトーラス型(ドーナツ型)のデザイン。直径1.6km、1万人の人口を想定しており、1rpmで回転してリング内部の外側に、地球と同等の重力を発生させる。太陽光は鏡で取り込まれる。リングはスポークで結ばれ、スポークは人や物資の移動にも使用される。また、スポークで繋がれたハブは無重力であるため、宇宙船のドッキングなどに使用される。


小惑星型型
構造物を一から建造するのではなく、小惑星や小型衛星などの天然天体の内部をくり貫き、内側を居住区域とするもの。 建造資材を自己調達できるメリットがあります。

asteroid_colony_2-650.jpg


スペース・ナッツII型
1996年の大林組の季刊誌に掲載されたデザイン。長さ1.9km、アポロチョコを二つ結合したような形状をしている。外殻と内殻の2層からなり、人口は2千人。

spacenut-II.gif


さて、スペースコロニーの建設および生活については、先に恒星間宇宙船の項目であげたような宇宙線の問題があります。宇宙空間で1年生活した場合、年間80mSvの被曝をすることになります。年間50mSvが安全上のリミットと言われており、健康上問題ない被曝量は年間3mSvです。さらに、太陽フレアによりまれに放射される大量のX線と高エネルギー荷電粒子の問題もあります。これらの放射が起きると、50%致死線量(LD50)の4Svを超えるほどの放射線が放出されるのです。
研究の結果、巨大なスペースコロニーではその構造(2m以上の厚さの鉄)と空気がガンマ線を効果的に遮蔽するバリアーとなることが発見されています。小さなコロニーでは、外側に多量の岩石を浮かべて(回転させないで)防護壁とすることができます。太陽光は放射線対策をしたルーバーから鏡を通して入射させることができます。 放射線問題を考えた場合、小惑星利用のコロニーがもっとも安全でコスト的にも安くなるかも知れません。ただし、この場合は重力が小さすぎるという問題がありますが…




参考資料/サイト: 恒星船(Wikipedia)
            宇宙の飛び方
            スペースコロニー


SF小説ベスト10
『万物理論』グレッグ・イーガン 山岸真訳

『ソラリス』
スタニスワフ・レム 沼野充義訳

『マイナス・ゼロ』広瀬正

『故郷から1000光年』
ジェイムズ・ティプトリー・ジュニア 伊藤典夫訳

『虚航船団』筒井康隆

『虎よ、虎よ!』
アルフレッド・ベスター(中田耕治訳)

『ユービック』
フィリップ・K・ディック(浅倉久志訳)

『ハイペリオン』四部作
ダン・シモンズ (酒井昭伸訳)

『十二国記』シリーズ 小野不由美

『百億の昼と千億の夜』光瀬龍

『アンドロイドは電気羊の夢を見るか? 』
フィリップ・K・ディック(浅倉久志訳)




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コメント 3

つなみ

lobyさぁん(*´∇`*)
こっちにも伺いましたヨ~w(≧∇≦)
by つなみ (2012-09-04 15:22) 

Loby

★つなみさん、ご訪問ありがとうございます。


by Loby (2012-10-10 07:04) 

岡田健一

前略 恒星間 宇宙船ロケットの エンジンは 反物質エネルギー源 核融合 エンジン宇宙船 原子力エンジン宇宙船 ETC等が 考えられますね。 やはり ケンタウルス座 アルファ-星 惑星を 目標に 7光年余りで 核融合エンジン宇宙船 ダイダロスなどですね。 以上、
by 岡田健一 (2015-03-02 17:47) 

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