スイスのローザンヌ工科大学（EPFL）の研究チームが行った新たな研究は、小惑星から金属を採掘し、現地でロケット燃料を生産することが、将来の火星植民地化のための現実的かつ実行可能な物流ソリューションを提供し、地球の供給への依存を大幅に減らし、ミッションコストを圧縮すると期待されることを示した。科学者たちは、SF のような問題だが、ますます現実的になってきているこの質問に答えようとしている。それは、人類が本当に火星で長期間生存したいのであれば、宇宙の小惑星が重要な物資供給源になり得るだろうかというものだ。
大衆文化では、小惑星はしばしば「脅威」として登場します。たとえば、ハリウッド映画「アルマゲドン」では、宇宙飛行士と油井作業員が宇宙で「テキサスサイズ」の小惑星を爆破しようとします。しかし、科学研究の観点から見ると、この小惑星は「浮遊機雷」に近いものです。その価値は破壊にあるのではなく、別の惑星に「世界を構築する」ためのリソースを提供するためにその開発と利用にあります。
研究によると、火星コロニーの建設は工学的な問題だけでなく、物流上の重大な課題でもある。真に持続可能な火星基地には、食料と酸素だけでなく、住宅施設用の構造用鋼、設備用のアルミニウム、工具の製造と修理用の鉄など、大量の金属も必要となります。これらの部品は長期にわたって磨耗や破損が避けられず、交換が必要になります。すべての供給が地球からの打ち上げに依存している場合、「供給」として金属を輸送することは不経済であり、長期的には持続不可能になります。
現在、地球からロケットを打ち上げる費用は貨物１トン当たり数千万ポンドで、火星までの旅には地球と火星のそれぞれの軌道上の相対位置に応じて約６～９か月かかる。このような時間とコストの条件下では、従来の方法では「Interstellar Hardware Store」スタイルの供給システムを維持することはほとんど不可能です。
新しい研究で、EPFLチームは「小惑星から火星への金属の輸送」プロセス全体をシミュレートし、定量的に分析するための複雑な計算モデルを確立した。太陽系には、金属が豊富な M 型小惑星を含む数百万の小惑星があり、これらは本質的に鉄、ニッケル、その他の貴金属でできた巨大な「金属の塊」であり、惑星軌道の間を漂っています。研究の中心的な疑問は、既存の、または予見可能な宇宙技術条件下で、人類は十分に低いエネルギーとコストでこれらの目標の小惑星に到達し、資源の採取を完了し、金属を火星に安全に輸送できるかということである。
同チームが開発した計算プログラムは、複数の潜在的なサプライチェーンソリューションの中から「徹底的に検索」し、数千もの組み合わせをテスト、比較して最適なソリューションを見つける。このモデルでは、宇宙船がさまざまな小惑星と火星の間を移動するのに必要なエネルギー、現実的に採掘および輸送できる金属の質量、惑星との往復のミッションに必要な推進剤の量など、いくつかの重要な変数が考慮されています。この研究は、特定の条件下では、そのような「宇宙金属サプライチェーン」を構築することは理論的には可能であるが、その実現可能性はターゲットの選択とミッション設計の高度化に大きく依存すると結論付けています。
燃料問題は計画全体の重要な部分であり、研究が「巧妙なひねり」を提案している箇所でもある。小惑星の中には、炭素と水の氷が豊富な炭素質小惑星もあります。これらの天体で資源を加工できれば、地球から往復の燃料をすべて運ぶことなく、宇宙でロケット推進剤を直接製造することができる。新しい研究では、「小惑星の現場で燃料を生産する」という考えがサプライチェーンの計算に組み込まれており、これは一部の輸送ミッションが宇宙で自給自足できることを意味し、それによってミッション全体の経済性と柔軟性が大幅に改善されることを意味する。
研究チームは、さまざまな軌道条件や小惑星の種類のシミュレーションと分析を通じて、既存の航空宇宙技術の能力の範囲内で現実的なアクセスが可能なターゲット候補を多数特定した。これらの目標の小惑星は、軌道上のエネルギー要件と潜在的な利用可能な資源との間の相対的なバランスを達成しており、理論的には往復ミッションでコストを「取り戻す」ことが可能です。それどころか、不適切に選択された小惑星では、推進剤の消費量が増加する以上に損失する可能性があり、燃料消費量が輸送される金属の価値を超える可能性さえあります。
この研究ではまた、番号253のマチルデなどの一部の炭素質小惑星は、水の氷と炭素が豊富に含まれているため、将来の宇宙ミッションで「ガソリンスタンド」や燃料製造の原料基地になることが期待されていると強調した。同時に、金属が豊富な小惑星は、火星の表面での建設活動のための鋼や合金などの基本材料を提供する「粗加工された鉱物源」としてより適しています。 2 種類の天体はサプライチェーン内でそれぞれの役割を果たし、相互に補完します。
実際の小惑星採掘活動には技術的・工学的にまだ長い距離があるが、この研究の意義は、この問題が空想ではなく、ロジスティクスとシステム工学の観点から理論的に「解決可能」であることを証明したことである。この研究は、小惑星で金属を採掘し、宇宙の現場で燃料を製造し、これらの資源を火星に輸送して火星にコロニーを建設するための重要な材料を提供するという、完全な概念的な道筋を提案している。このビジョンでは、火星には建設業者や技術者だけでなく、小惑星から火星までの星間サプライチェーンの管理を担当する新たな「物流責任者」も必要であり、最新の研究ではそのようなシステムが科学・工学レベルで可能であることが示されている。
この研究は、「物流の観点から: 火星植民地化を支援するための小惑星採掘の使用」というタイトルでプレプリント プラットフォーム arXiv に公開され、Serena Suriano、Shamil Biktimirov、Dmitry Pritykin、Anton Ivanov の連名で署名されました。この研究は、宇宙飛行の経済性、小惑星資源の利用、惑星基地の持続可能性の間の系統的なつながりを確立し、将来の長期火星ミッションを計画するための重要な理論的基礎を提供するとともに、「火星を第二の故郷にする方法」という問題に対する新たなアイデアも提供するものとなった。