SFじゃない！NASAが衝撃的なプロジェクトに資金提供

マイク・ラポインテは、宇宙探査を SF の未来にどう実現するかを考えるという羨ましい仕事に就いています。

彼と彼の同僚たちは、NASAの革新的先進概念プログラム（NIAC）の一環として、ハイリスク・ハイリターンのプロジェクトに資金を提供しています。NIACは先週、空想的なアイデアを探求する14チームへの助成金交付を発表しました。その多くは実現しないでしょう。しかし、月面酸素パイプラインや、実際に宇宙空間で建設される宇宙望遠鏡の鏡など、中にはゲームチェンジャーとなる可能性のあるものもあります。

「ナプキンの裏に書いたようなコンセプトから、概念化はされているもののまだ開発されていないものまで、あらゆるものを検討しています」とラポインテ氏は語る。「これらは20年から30年先を見据え、NASAのミッションを劇的に改善したり、新しいタイプのミッションを可能にしたりする方法を探るものです。」例えば、化学ロケットエンジンの効率をわずかに向上させる取り組みは称賛に値しますが、このプログラムにとってはまだ遠い未来の話です。化学ロケットに代わる全く 新しいシステムの提案は、まさにこのプログラムにふさわしいでしょう。

NASAは毎年、主に米国の学術研究者を対象に助成金を交付しています。今回の新たな助成金はフェーズ1のプロジェクトを対象としており、各プロジェクトには9ヶ月間の研究費用として17万5000ドルが支給されます。研究者はこの研究を通して、計画の詳細策定、試験の実施、プロトタイプの設計を行います。有望な少数のプロジェクトはフェーズ2に進み、2年間の研究費用として60万ドルを受け取ります。その後、NASAは優れたプロジェクト1件に200万ドルを授与し、2年間のフェーズ3研究に資金を提供します。 

競合の中には、最終的にNASAや民間企業との提携に踏み切るものもあれば、スピンオフ技術への道を開くことで宇宙探査に間接的な影響を与えるものもある。例えば、スタートアップ企業Freefall Aerospaceのインフレータブル宇宙アンテナは、NIACプロジェクトから始まった。火星での回転翼航空機に関するNIACの提案は、火星探査ヘリコプターIngenuityの開発にインスピレーションを与えた。

今年の受賞作品の一つは、火星で育つ建築資材、つまり菌類やバクテリアによって生成される物質を使って組み立てられた居住地を設計するという提案です。住居構造物のような大きく重いものを宇宙に送るのは困難です。打ち上げコストが法外に高く、ロケットに積み込んで火星に着陸させる必要もあります。しかし、機械・材料工学者のコングルイ・ジン氏とネブラスカ大学の同僚たちが開発したこのプロジェクトは、自己成長する建築資材というアイデアを探求しています。 

これらの菌類やバクテリアは最初は小さく見えますが、徐々に糸状体や巻きひげを伸ばし、利用可能な空間を埋めていきます。「私たちはこれを自己治癒材料と呼んでいます」とジン氏は言います。彼の研究グループは、これらの材料を用いてコンクリートのひび割れを埋めるバイオミネラルやバイオポリマーを作製してきました。「私たちはこれをさらに一歩進め、自己成長材料の開発を目指しています。」

火星のバイオリアクターでは、このような材料が丈夫なレンガへと成長します。地球ではこのプロセスはコストがかかりますが、赤い惑星にはコンクリートや建設労働者がいないため、より経済的に合理的です。NIACでの研究では、ジン氏は成長プロセスを数ヶ月から数日に短縮できるかどうか、そして材料が過酷な火星環境でどれくらいの期間耐えられるかを明らかにする予定です。

NIACがキノコを使って宇宙で構造物を育てる実験に資金を提供するのは今回が初めてではない。昨年の受賞プロジェクトの一つには、別の「マイコテクチャー（菌構造）」プロジェクトがあった。しかし、今回のチームのプロジェクトは、菌糸体と呼ばれる根のような糸ではなく、菌の別の側面、つまり特定の条件下で形成される炭酸カルシウムなどのミネラルの利用に焦点を当てている。

NIACのもう一つの受賞者は、将来の月面基地の宇宙飛行士に切実に必要な酸素を供給するための、巨大な月面パイプラインの設計を提案しています。NASAが現在進行中のアルテミス計画のおかげで、宇宙飛行士は早ければ2026年にも月に到着する予定です。将来のより長期のミッションでは、数週間から数ヶ月間持続する酸素の供給が必要となり、ロケット燃料として使用される可能性もあります。酸素タンクを宇宙に輸送することは、建築資材の打ち上げと同じくらい困難ですが、月でガスを製造する方がより良い選択肢となる可能性があります。酸素は、電気分解と呼ばれるプロセスを用いた氷採掘の副産物として入手可能です。

しかし、物流上の問題があります。月面採掘作業はキャンプのすぐ隣で行われるとは限りません。月の氷は永久影に覆われたクレーター内に豊富に存在しますが、そこは月面で最も寒い場所でもあり、通信が困難な場合があります。NASAの元科学者で、ルナ・リソーシズ社の共同創業者兼最高科学責任者であるピーター・カレリ氏は、クレーター内で酸素を製造し、ローバーで基地まで運ぶという選択肢があると指摘します。しかし、彼は「一箇所で酸素を製造し、圧縮されたキャニスターやデュワー瓶を使ってロボットで輸送するのは、非常にコストがかかり、扱いにくい」と指摘します。 

彼のチームの提案は、2つの地域を結ぶ全長5キロメートルのパイプラインを建設する方法を見つけることだ。このパイプラインは、月のレゴリスから採取されたアルミニウムなどの金属を用いて、ロボットによってセグメントごとに建設される。セグメントは溶接され、パイプは溝の中やスタンドに設置される。これは地球上の石油パイプとそれほど変わらない。このパイプラインは毎時2キログラムの酸素を供給でき、これはNASAの将来の宇宙飛行士の需要を満たすのに十分な量だ。カレリ氏と彼の同僚たちは現在、実現可能性調査を行っており、潜在的なコスト、パイプの最適な構造、そしてローバーによる修理の完了可能性を検討している。

他の受賞者の中には、より天文学的な研究分野に関心を持つ人もいます。例えば、カリフォルニア州にあるNASAエイムズ研究センターの科学者、エドワード・バラバン氏は、宇宙のほぼ無重力状態を利用して、巨大宇宙望遠鏡の鏡やレンズ用の流体を作製する研究を行っています。この技術は、現在の望遠鏡の鏡よりも強力になるでしょう。現在の望遠鏡の鏡は特殊なガラスで作られることが多く、微小隕石の衝突や打ち上げ時の揺れの影響を受けやすいからです。鏡の直径は、望遠鏡が深宇宙の物体をどこまで解像できるかを決定しますが、現状では打ち上げロケットのサイズによって限界があります。

「直径6.5メートルのジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡の鏡は、まさに工学上の奇跡です。折り紙のように折り畳んで打ち上げ機のシュラウドに収めるには、多大な創造性と技術的なリスクを伴いました」とバラバン氏は語る。そして、この繊細な構造は打ち上げ時の衝撃にも耐えなければなりませんでした。「これ以上大型化しようとすると、コストと複雑さが増すばかりです。」 

その代わりに、彼の「流体望遠鏡」というコンセプトでは、傘型の衛星アンテナのようなフレーム構造と、ガリウム合金やイオン液体などの鏡液のタンクを打ち上げるだけで済みます。打ち上げ後、液体はフレームに注入されます。宇宙空間では、液滴は表面張力によって互いにくっつき合うため、地球の重力の厄介な力に邪魔されて形が歪むことはありません。これにより、従来のガラス鏡で必要とされる研磨や研削といった機械加工を必要とせず、非常に滑らかな鏡が完成します。そして、自動化されたプロセスによって望遠鏡の他の部品に取り付けられます。 

彼のチームは、飛行機と国際宇宙ステーションでのテストを通じて、液体ポリマーを使ったレンズの作り方を既に習得しており、液体の量が倍率を決めることを突き止めました。NIACの資金援助を受け、彼らは次のステップ、つまり10年後に宇宙で小型液体鏡のテストを行う準備を進めます。彼らの目標は最終的に直径50メートルの鏡を設計することですが、この技術は拡張可能であるため、バラバン氏によると、同じ物理原理を用いて 数キロメートル幅の鏡を設計できるとのことです。JWSTの大型鏡は、これまでに建造された中で最も感度の高い望遠鏡の一つとなっていますが、進歩を続けるためには、この新しい方法でさらに大きな鏡を建造する必要があるかもしれないと彼は主張しています。 

MITの宇宙飛行研究者であるザカリー・コルデロ氏は、宇宙での製造技術「ベンドフォーミング」の開発を目指す新たなプロジェクトを率いています。この技術は、一本のワイヤーを特定の節点と角度で曲げ、接合部を追加することで強固な構造物を作るものです。コルデロ氏と彼のチームは、高軌道上の衛星に搭載する反射鏡の設計という特定の用途に取り組んでいます。この反射鏡は、大気中の水分変化を測定することで嵐や降水量を監視できる可能性があります。 

他の受賞者と同様に、彼の提案は、ロケットの飛行に伴うサイズと重量の制約をものともせず、宇宙に超大型の物体を建造するという挑戦的な試みです。「従来の反射鏡では、大きくすればするほど表面精度が悪くなり、最終的には実質的に使用できなくなります。100メートル、あるいは1キロメートル規模の反射鏡を宇宙で作る方法については、何十年も前から議論されてきました」と彼は言います。彼らの技術を使えば、直径100メートルのアンテナを作るのに十分な材料を、1基のロケットで打ち上げることができると彼は言います。

他の14の受賞者の中には、土星最大の衛星タイタンに水上飛行機を飛ばす提案や、氷点下の気温により岩のように振舞う厚い氷の外層に囲まれた隣のエンケラドゥスの海に加熱した探査機を進入させる提案などがあった。

これらのプロジェクトの中には成功しないものもあるだろうが、このプログラムはNASAが実現可能性の限界を検証するのに役立つとラポインテ氏は言う。「たとえプロジェクトが失敗しても、それは私たちにとって依然として有益です。成功すれば、将来のNASAミッションを変革する可能性があります。」