レイ・ブラッドベリ、キム・スタンリー・ロビンソン、アンディ・ウィアーといったSF作家や、 『エクスパンス』のクリエイターたちは、人類が将来火星に機能的な居住地を築く姿を長年思い描いてきました。NASAと欧州宇宙機関（ESA）は今後20年以内に火星に宇宙飛行士を送ることを目指しており、SpaceXのCEOであるイーロン・マスクも人類を火星に送る計画を表明しています。今こそ、これらのビジョンを現実のものにするための現実的な問題に取り組むべき時です。
最も大きな課題の一つは、「将来の火星コロニーに電力を供給する最も実用的な方法とは何か？」という点です。一見単純なこの問いを解明するために、カリフォルニア大学バークレー校の工学部学生、アンソニー・エイベルとアーロン・バーリナーは4年間の努力を重ねました。
先週、 Frontiers in Astronomy and Space Sciences誌に発表された研究結果で、アベル氏らは同僚とともに、太陽光と原子力の両方のエネルギー源が長期有人ミッションに十分な電力を供給できると主張している。しかし、宇宙飛行士は、遠く離れた地球からどれだけの重量の機器を持ち込めるか、到着後に太陽光パネルでどれだけのエネルギーを集められるか、そして日照時間が短い時期に備えてどれだけエネルギーを蓄えられるかなど、一定の制約に直面することになる。「火星のどこにいるかによって状況は変わります」とアベル氏は研究結果について述べている。「赤道付近では太陽光の方が効率が良いようです。そして、極付近では原子力の方が効率が良いのです。」
エンジニアたちは、6人乗りの火星居住施設のエネルギーオプションを研究のベースに据えました。このような遠隔地の前哨基地では、最初の宇宙飛行士は、生存に必要なエネルギーを生成するために必要な太陽光発電（PV）セル、バッテリースタック、原子炉など、必要なもののほぼすべてを携行しなければなりません。つまり、これらの有人ミッションは、ロケットにどれだけの物資を搭載できるかによって左右されることになります。アベル氏とベルリナー氏はこれを「持ち込み質量」と呼んでいます。「地球から火星に物資を運ぶのは非常に困難で、費用も非常にかかるため、持ち込み質量を最小限に抑えたいのです」とアベル氏は言います。
研究のため、エンジニアたちは太陽光や原子力発電でどれだけのエネルギーが生成されるか、またそのエネルギーを生産するのにどれだけの持ち運び質量が必要かを計算した。特に、火星表面の約 50 パーセント以上、特にこれまでに多くの火星探査車や着陸機が着陸した赤道付近では、軽量ソーラーパネルの進歩により、PV ソーラーエネルギーが他の太陽光発電の代替手段より優れており、6 人用の居住施設に電力を供給するのに必要な持ち運び質量は約 8.3 トンに過ぎないことがわかった (彼らが試した 3 つのソーラーエネルギーの選択肢のうち、電気分解と圧縮水素貯蔵を備えたパネルが最も効率的だった)。これは、暖房、照明、探査車の移動、呼吸用の酸素、作物の成長のための肥料、帰路のロケット燃料用のメタンの製造などに使われる、約 40 キロワットの推定平均電力需要を満たしている。
イラスト: NASA
しかし、極地に近い火星探査基地では、必要な太陽光発電装置の重量が20トン以上にもなる。火星の地軸は地球よりわずかに大きい約25度傾いており、軌道も円形ではないため、年間の一部の時間帯には太陽電池に届く太陽光が少なくなる。つまり、極地では原子力発電がより現実的なものになる。これだけの原子力エネルギーを生成するために必要な発電装置は、同じ40キロワットのエネルギーを生成するのに約9.5トンの質量を伴う。この重量は、NASAのスペース・ローンチ・システムやスペースXのスターシップ、スーパーヘビーなどの、少なくとも数十トンのペイロードを深宇宙に運ぶことができる巨大な次世代ロケットであれば、運搬可能である。（極地には、宇宙飛行士の水源となり得る氷もある。）
火星探査機が使用するエネルギー技術においても、同様のトレードオフが既に生じている。エンジニアは、輸送重量、貯蔵の必要性、そして太陽光の入手可能性の変動に対応できるエネルギーシステムの間で適切なバランスを見つける必要がある。バルセロナ宇宙科学研究所の天文学者、ギレム・アングラダ＝エスクデ氏は、火星の表面に十分な太陽光が届くのは日中のみで、しかも塵や雲の粒子が邪魔にならない場合のみだと述べる。同氏は今回の研究には関与していない。アングラダ＝エスクデ氏は、火星やその他の惑星における将来のコロニーのあり方を研究する研究者、エンジニア、建築家の共同組織であるサステイナブル・オフワールド・ネットワークのメンバーでもある。
アングラダ＝エスクデ氏は、アベル氏とベルリナー氏の研究結果に同意している。また、可能であれば、太陽光発電と原子力発電をどちらか一方だけに限定すべきではないと考えている。「私たちの結論は、太陽光発電と原子力発電の両方を持つべきだということです」と彼は言う。「これはレジリエンス（回復力）の問題です。物事は様々な形で失敗する可能性があります。最善の選択肢は、冗長性を確保することです。」
太陽放射の強度、塵や氷が火星の表面に届く光の量にどう影響するか、そしてその光を最もよく集められる場所を研究することも重要だと、デンマーク工科大学のエネルギーエンジニア、ダニエル・バスケス・ポンボ氏は述べている。同氏は昨年、火星の恒久的なコロニーのための、太陽光発電パネルと蓄電池を含むハイブリッド電力システムの可能性に関する論文を執筆した。エネルギーシステムのメンテナンスは、修理を行う者にとってリスクを伴う可能性があり、これも選択肢を持つことの重要性を裏付けるものだ。
「本当に単一の技術に頼りたいのでしょうか？ 体系的なエラーや設計上の欠陥があったらどうなるでしょうか？」とポンボ氏は言う。「多様化は賢明な考えです。すべての卵を一つの籠に入れるのは良くありません。」
アングラダ＝エスクデ氏は、数ヶ月や1年程度の宇宙飛行士の滞在ではなく、長期滞在者を擁する恒久的なコロニーとなると、計算も変わる可能性があると主張する。「太陽電池パネルは比較的シンプルな技術であり、長期的に見れば太陽光発電はより魅力的になります」と彼は言う。「より多くの反射鏡が必要になるかもしれませんが、それでもうまく機能します。火星では、原子炉に必要な品質のプルトニウムを見つけるのは容易ではありません。太陽光発電はそこにあり、安全であり、私たちはそれを実現する方法も知っています。」
結局のところ、火星の過酷な環境での生活は地球上のどこよりも過酷なものとなるでしょう。そして、科学技術の問題はほんの一部に過ぎません。移住者は複雑な財政問題や社会問題にも対処しなければならないとアベル氏は言います。しかし、少なくとも火星に到着すれば、電気を灯し続ける方法は分かっているはずです。
