廃棄ロケットを宇宙ステーションに変える計画

10月初旬、運用を停止したソ連の衛星と、廃棄された中国のロケット上段が、地球低軌道上で衝突を間一髪で回避した。もし衝突していたら、衝撃で粉々に砕け散り、数千もの危険な宇宙ゴミが新たに発生したはずだ。その数日前、欧州宇宙機関（ESA）は年次宇宙環境報告書を発表し、廃棄されたロケット本体が宇宙船にとって最大の脅威の一つであると強調していた。このリスクを軽減する最善の方法は、打ち上げ事業者がペイロードを打ち上げた後、ロケットを軌道から外すことだ。しかし、ジェフリー・マンバー氏に言わせれば、それは完全に機能する巨大な金属管の無駄遣いだ。

マンバー氏は、国際宇宙ステーションに民間のペイロードを収容していることで最もよく知られている宇宙物流企業ナノラックスのCEOで、ここ数年、使用済みロケットの上段を小型宇宙ステーションに改造する計画に取り組んでいる。これは新しいアイデアではないが、マンバー氏はその時が来たと感じている。「NASA​​は燃料タンクを改修するアイデアを何度か検討した」と同氏は言う。「しかし、たいていは技術がなかったために、常に断念されてきた」。NASAのこれまでの計画はすべて、宇宙飛行士が製造と組み立て作業の多くを行うことに依存しており、プロジェクトは費用がかかり、時間がかかり、危険を伴うものだった。マンバー氏のビジョンは、宇宙飛行士の代わりに自律型ロボットが使用済みロケットの本体を切断、曲げ、溶接し、研究室、燃料貯蔵庫、または倉庫として使用できる状態にする、地球外の解体工場を作ることだ。

アウトポストとして知られるナノラックスは、ミッションを終えたロケットを改造し、第二の人生を与える計画だ。最初のアウトポストは、新型ロケットの上段を利用した無人宇宙ステーションとなるが、マンバー氏によると、将来的には有人宇宙ステーションや、既に軌道上にあるロケットの段を利用した宇宙ステーションも建設される可能性があるという。当初は、ナノラックスはロケット内部は使用せず、実験ペイロード、電源モジュール、小型推進ユニットを機体外側に搭載する。同社のエンジニアがこれを実現すれば、ロケット内部を加圧実験室として開発することに注力できる。

軌道に向かうロケットは、少なくとも2段式で打ち上げられ、各段には独自の燃料タンクとエンジンが搭載されています。大型の第1段はロケットを宇宙空間の端まで押し上げ、その後分離して地球に落下させます。SpaceXの場合は、海上の自律型ドローン船に着陸させます。小型の第2段は、ペイロードを軌道速度まで加速させてから放出します。その時点で、上段には通常、エンジンを始動して地球に落下させるのに十分な燃料が残っています。上段が軌道離脱噴射を行わない場合、制御不能な衛星として地球を周回し続けることになります。

ナノラックスのチームが開発対象としているのは、これらの上段が宇宙ステーションに必要な多くの特性を既に備えているからです。ロケットの燃料タンクは圧力を保持するように設計されており、打ち上げ時の過酷な条件にも耐えられるよう、非常に耐久性の高い素材で作られています。また、広さも十分です。スペースXのファルコン9の上段は直径12フィート（約3.6メートル）、高さ約9メートル（約9メートル）で、ニューヨークのアパート住人が羨むほどの広さです。

しかし、これらのタンクは、実験や宇宙飛行士の搭乗が可能になる前に、少し手直しが必要です。まずは、爆発を防ぐために残りの燃料を排出します。その後はロボットが作業を引き継ぎます。これらのロボットは、太陽電池パネル、表面実装型コネクタ、小型推進ユニットなどの必要なコンポーネントを取り付けます。NanoracksのOutpostプロジェクトマネージャー、ネイト・ビショップ氏によると、同社は上段ロケット全体を機能的な宇宙ステーションに改造する前に、宇宙空間で小規模なデモを数回行う予定です。「今のところ、実際には何も改造していません」とビショップ氏は言います。「アタッチメントを使って上段ロケットを制御できることを示すことに重点を置いています。しかし将来的には、多数の小型ロボットが上段ロケットを上下し、コネクタなどを追加する様子を想像してみてください。」

ただ一つ問題があります。軌道上の宇宙ステーションを改造するために必要な、中核的な金属加工・製造技術を実証した者は誰もいなかったのです。来年5月、ナノラックスは初のアウトポスト実証ミッションでこの状況を変えようとしています。同社は、SpaceXの相乗りミッションの一環として、他のペイロードとともに展開される小型チャンバーを開発しました。チャンバー内では、先端に高速回転するドリルビットを備えた小型ロボットアームが、ロケット燃料タンクに使用されているのと同じ素材で作られた3つの小さな金属片を切断します。実験がうまくいけば、このツールはデブリを一切発生させることなく、正確な切断が可能になるはずです。宇宙空間の真空中で金属が切断されるのは、これが初めてとなります。

軌道上でロケットを転換する上での根本的な課題は、材料が宇宙環境にどのように反応するかを理解することです。例えば、材料の片面が太陽に面し、もう片面が太陽に背を向けている場合、温度は数百度も異なる可能性があります。宇宙に行って実際に試してみなければ、切断や溶接といった標準的な製造技術に対してその材料がどのように反応するかを予測することは困難です。太陽電池パネル用の薄膜材料の製造など、他の技術では欠陥を防ぐために超高純度の環境が必要です。宇宙は真空ですが、地球から供給される従来の製造プロセスに支障をきたす可能性のある、かなりの量の塵や放射線が含まれています。

「70年も経ったのに、宇宙での製造について私たちがまだほとんど何も知らないというのは驚くべきことです」とマンバー氏は言う。「宇宙機器の再利用に真剣に取り組むなら、学ぶべきことはたくさんあります。こうしたことは当たり前のことのように思えますが、一歩一歩着実に積み重ねていくしかないのです。」

アウトポストのようなミッション延長プログラムは、宇宙産業にとって新しいものです。スプートニク以来、軌道に乗せられた衛星は意図的に軌道から外されるか、放棄されて地球に落下させられてきました。燃料切れした衛星を移動させたり、放棄されたロケットの機体を回収したりする技術は、そもそも存在していませんでした。そのため、安全に行う方法に関する規制はなく、そもそも合法かどうかについても合意が得られていませんでした。

しかし、状況は変わり始めている。昨年、ノースロップ・グラマン社の衛星が、燃料を使い果たした別の衛星に吸着し、新しい軌道に移動させることに成功した。この操作により、衛星の寿命は少なくとも5年延長され、宇宙ミッション延長の時代が正式に到来した。今年の国際宇宙会議での講演で、ノースロップ・グラマン社の子会社であるスペース・ロジスティクス社の副社長、ジョセフ・アンダーソン氏は、この歴史的なミッションを開始するために、同社が米国の複数の政府機関と協力してライセンス要件を修正しなければならなかった経緯を説明した。「米国政府が確立したライセンス構造に単純に適合しなかったのです」とアンダーソン氏は述べた。「最終的に、FCCが主要な監督機関として機能するという解決策にたどり着きました」（FCCは、ラジオ、テレビ、ブロードバンドシステムなども規制する連邦通信委員会のことです）。

ナノラックスがロケットを宇宙ステーションに転用したいのであれば、実現のために新たなライセンスポリシーを策定する必要がある。ノースロップ・グラマンのミッションは、軌道上に向かう新型ロケットの寿命を延ばすための基盤を築いたかもしれないが、軌道上で放棄されたロケットを、打ち上げた国や企業の許可なく企業が改修できるかどうかは不透明だ。

これは、宇宙専門法律事務所モビウス・リーガル・グループの主任弁護士、ジェームズ・ダンスタン氏が長年取り組んできた問題だ。地球では、国際海洋法により、船員は海上で発見した残骸を引き揚げることができる。しかしダンスタン氏によると、1967年に締結された国際協定である宇宙条約の下では、使用済みロケットはそれを打ち上げた者の所有物となる。この法律の下では、企業や国が放置されたロケットの段階を許可なく引き継ぐことは、打ち上げ国の財産への不法侵入となる。しかしダンスタン氏は、この法律解釈は誤りだと指摘する。「打ち上げ国も打ち上げ企業も、使用済みロケットのことを本当に気にしているわけではない。彼らは、それらが消え去ってくれることを望んでいるのだ」とダンスタン氏は言う。

しかしダンスタン氏は、今のところ「許可なくロケットの段階を占拠した企業にとって、法的リスクは甚大になるだろう」と述べている。彼は10年以上にわたり、ロケット本体のような軌道上デブリにも「発見・回収」に関する海事法を適用すべきだと主張してきたが、FCC（連邦通信委員会）や連邦航空局（FAA）などの規制当局の対応は鈍いと指摘する。「回収問題に変化をもたらすには、実際にテストケースが必要になるだろう」とダンスタン氏は言う。そして、ナノラックスはまさにその実行企業となる可能性がある。

マンバー氏は、リサイクルロケットこそが、軌道上商業活動の拡大と人類の太陽系における活動範囲拡大に向けた次の論理的ステップだと考えている。宇宙への物資打ち上げには多額の費用がかかるが、既に存在する資源を活用する技術の開発は、地球外での生活と労働コストを大幅に削減できる可能性がある。「15年、20年先を見据えると、回収可能な資源を探す偵察ミッションが実行されるだろう」とマンバー氏は語る。「部品を探して宇宙での組み立てに利用する探鉱者も現れるだろう。これは将来の大きな市場の一つとなるだろう」

マンバー氏のビジョンは長い道のりを歩んできました。過去50年間、NASAのエンジニアたちは古いロケットを居住施設に転用する様々な方法を模索してきました。NASA初の宇宙ステーション「スカイラブ」は、当初、アポロ計画の宇宙飛行士を月へ運んだ巨大なロケット「サターンV」の上段ロケットを利用して建設される予定でした。ウェットワークステーションとして知られるこのコンセプトは、プロジェクトのエンジニアたちが特注の宇宙ステーションを打ち上げる方が簡単だと判断する以前から、かなり練られていました。しかし、ロケットをリサイクルするという夢は消えていませんでした。

ビル・ストーンは、地球上で最も深い場所のいくつかに足を踏み入れた経験を持つ極限の洞窟探検家であり、木星と土星の氷の衛星の海洋探査用ロボットを開発するために設立したストーン・エアロスペース社のCEOです。それ以前は、米国国立標準技術研究所（NIST）で10年間、スペースシャトルの外部燃料タンクを軌道上の居住施設に改造する研究に携わっていました。当時、NASAはフリーダム宇宙ステーション（後に国際宇宙ステーションとなる宇宙ステーション構想）のエンジニアリング設計を検討し始めたばかりでした。NISTの幹部は、ストーンと彼の同僚たちに、NASAの計画のあらゆる詳細を評価し、改善策を検討するよう指示しました。

「繰り返し浮上してきた問題の一つは、スペースシャトルが100%再利用できないという事実でした」とストーン氏は語る。NASAはシャトルのオービターを着陸させ、時折海上から固体燃料ブースターを回収することはできたものの、ロケットの最大の構成要素である外部燃料タンクは、打ち上げのたびに失われていた。ストーン氏と彼のチームにとって、これは莫大な資源の無駄遣いだった。外部燃料タンクがシャトルから切り離される頃には、すでに軌道到達に必要な速度の98%に達していた。それを宇宙空間に留めておくには、それほどの追加の推進力は必要なく、後に産業実験室に転用できるはずだった。

シャトルの外部タンクは、実際には 2 つの独立したタンク (液体酸素用の小さなタンクと液体水素用のかなり大きなタンク) で、インタータンク リングで接続されて 1 つの巨大な構造物を形成していました。NIST チームの計画は、大きなタンクの 1 つを居住用に準備する間、タンク間セクションを乗組員の一時的な加圧居住場所として使用することでした。これには、宇宙飛行士が内部に入るためのハッチや、軌道上で自らを定位できるように外部タンクの底に取り付けた小型モーターなど、タンクにいくつかの変更を加える必要がありました。しかし、その見返りとして、倉庫や研究室として使用できる膨大な量のスペースが得られました。より小さな液体酸素タンクは、現在 ISS で利用できる居住容積より 25 パーセント大きい容積を提供できたでしょう。外部タンク全体を使用した場合、容積は宇宙ステーションの 6 倍になります。

「人間居住のために加圧可能なアルミニウムやその他の航空宇宙グレードの部品が、ミッションのたびに65,000ポンド（約3万4千キログラム）も廃棄されました」とストーン氏は語る。「SpaceXが現在、低地球軌道への打ち上げに提示している最高料金を考慮しても、数千億ポンド（約1兆6千億円）もの資産が廃棄されたことになります。」

1980年代にNISTの計画がまとまると、57の大学からなるコンソーシアムが、NASA向けに使用済みシャトル燃料タンクを再利用するExternal Tank Corporationという民間ベンチャー企業の過半数株式を取得した。同社の社長であるランドルフ・ウェアが1987年にロサンゼルス・タイムズ紙に語ったように、このプログラムはNASAのフリーダム宇宙ステーション計画と競合するものではない。「我々は宇宙ステーションの代替物ではなく、工業団地の端にある倉庫です」とウェアは語った。External Tanks Corporationがこのプロジェクトの商業化を主導する中、ストーンとNISTの同僚たちは、再利用された宇宙ステーションのデジタルおよび物理シミュレーションを実行した。80年代後半までには、NASAマーシャル宇宙飛行センターのプールにシャトル燃料タンクの模型を造り、宇宙飛行士がタンクへの出入りを練習できるようにした。最初のデモミッションでは2人の宇宙飛行士を使う計画で、ストーンはその1人になる予定だった。

スペースシャトルの外部燃料タンクの設計をしていた組織はNISTだけではありませんでした。後にロッキード・マーティンとなる企業の前身であるマーティン・マリエッタ・エアロスペースのエンジニアが主導した研究では、この燃料タンクを大型宇宙ステーションの基盤として利用するというアイデアが浮上しました。また、空軍の別の提案では、燃料タンクを軌道上の構造物建設用のスクラップメタルとして利用するという提案もありました。ほぼ同時期には、ボーイングと国防高等研究計画局の共同研究プロジェクトで、外部燃料タンクを大口径望遠鏡に転用するという提案もありました。ヒルトンホテルでさえ、シャトルのブースターを利用した「スペース・アイランド」と呼ばれる軌道上ホテルの建設計画を持っていましたが、このプロジェクトは構想段階の域を出ることはなかったようです。（ヒルトンの担当者はWIREDのコメント要請には回答しませんでした。）

使用済みシャトルブースターを宇宙ステーションに転用するという夢は、1993年にクリントン政権が国際宇宙ステーションにお墨付きを与えたことで崩れ去った。ストーン氏とNISTのチームは、シャトルブースターを宇宙ステーションに転用する提案を提出したばかりで、この提案はNASAの最高レベルを経てホワイトハウスにまで届きつつあった。しかし、クリントン政権がISS計画を進める準備をしていたとき、NIST所長がストーン氏をオフィスに呼び出し、悪い知らせを伝えたとストーン氏は回想する。NASAが計画を中止したのだ。「宇宙ステーションは国家的な雇用計画となっており、この計画は宇宙ステーションへの脅威とみなされていた」とストーン氏は言う。「NASA​​が外部燃料タンクを保管しなかったのは悲劇的な過ちだった。なぜなら、地球・月経済を実現するために必要な軌道上の補給所をNASAが設置していたはずだからだ」

その後20年間、NASAのエンジニアたちがISSの開発に集中するにつれ、古いロケットで生活し、働くというアイデアは人々の記憶から薄れていった。このアイデアがささやかに復活したのは2013年、ジェイコブス・エンジニアリングのNASA契約社員、ブランド・グリフィン氏が、次世代スペース・ローンチ・システム（SPSS）ロケットの燃料タンクを深宇宙探査用の居住施設に転用する研究をNASAのために主導した時だった。彼はこの再利用宇宙ステーションをスカイラブIIと名付けた。

スカイラブIIは、その名の通り、NASAのSLSロケットの上段に搭載されて一体となって打ち上げられる。SLSは、同局が人類を再び月に送るために使用するロケットである。乗組員室は、ロケットの上段にペイロードとして打ち上げられる未使用の水素燃料タンクから作られる。これは、軌道上で使用済みの上段を改造したのではなく、地上で改造されたサターンロケットの第3段から作られたスカイラブの設計に似ている。タンクを居住可能な状態にするために必要なすべての部品（太陽電池パネル、アンテナ、ロボットアーム）は、打ち上げ前に統合される。ナノラックスのアウトポストのアイデアと同様に、宇宙飛行士がステーションを組み立てる必要はない。改造された水素タンクには、最大4人の宇宙飛行士と、月や火星を周回する数年にわたる旅に必要な食料を収容するのに十分なスペースがある。スカイラブ II が軌道に乗ると、乗組員はオリオン宇宙船によって次の打ち上げで運ばれ、居住施設にドッキングしてミッションの推進力を提供する予定である。

グリフィン氏によると、スカイラブIIの検討は、深宇宙探査のコスト削減の必要性から始まったという。国際宇宙ステーション（ISS）の建造には多額の費用がかかり、すべてのコンポーネントを軌道に乗せるには数十回の打ち上げが必要だった。月や火星を周回する同様のモジュール式ステーションは、さらに高額になるだろう。しかし、スカイラブは、高性能な宇宙ステーションを一回で打ち上げられることを実証していた。「この経済性を地球近傍月周回宇宙ステーションにも導入したかったのです」とグリフィン氏は語る。検討後、グリフィン氏とチームはNASAマーシャル宇宙飛行センターにスカイラブIIの実物大模型を製作した。

しかし、NASA関係者からこのプロジェクトへの熱意が示されたにもかかわらず、この構想は棚上げされ、NASAは月面宇宙ステーションの新たな計画であるゲートウェイ計画を進めました。スカイラブIIとは異なり、ゲートウェイはモジュール式で、ISSの縮小版に近いものです。「人々が変化を受け入れない理由はたくさんあります」とグリフィン氏は言います。「解決策の方向性をある程度決めてしまい、既に投資しすぎている場合もあります。もっと圧力をかける必要がありましたが、人々が反対していたわけではありませんでした。」

マンバー氏とビショップ氏は、宇宙ゴミを宇宙ステーションに転用する試みが長きにわたって失敗してきたことを熟知している。しかし、彼らは他の試みが失敗してきた分野で成功できると信じている。今日では、ロボットがシャトル時代には宇宙飛行士のチームを必要とした作業の一部を遂行できる。急成長する宇宙経済は、より多くの軌道上研究開発プラットフォームの需要を押し上げている。また、NASAの月探査への野望は、同局に深宇宙サプライチェーンの見直しを迫るだろう。ナノラックスはロケットをリサイクルできるようになるまでに、まだ多くの基礎技術を実証する必要があるが、数十年ぶりに、将来の宇宙飛行士が中古の宇宙ステーションで生活するようになる可能性が高まっている。

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