宇宙
火星の大気を探る — 過去の出来事の理解が植民化実現への鍵
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宇宙探査は1兆ドル規模の機会です。 マッキンゼーの推計によると、世界の宇宙経済はインフレ調整後で2035年までに1.8兆ドルに達し、2023年の6300億ドルから増加するとされています。
投資家が宇宙探査に乗り出す大きな要因の一つは火星の植民化です。火星とその挙動に関する科学的知識とデータが増加したことで、火星での建設を対象とした研究が増えています。しかし、火星理解に関する最新の研究に踏み込む前に、まず火星ミッションが時間とともにどのように進展したかを簡単に概観しましょう。
火星への重要ミッションの簡史
5十年以上前、1965年にNASAのマリナー4号が火星に到達し、21枚の写真を地球に送信しました。6年後の1971年、ソ連のマーズ3号ランダーが火星に軟着陸を成功させました。同年、NASAのマリナー9号は火山とヴァレス・マリネリスを発見し、数千枚の写真を撮影しながら最終的に火星軌道からそれらを地球に送信しました。
出典: NASA
1976年にヴァイキング1号とヴァイキング2号が火星に到達し、ランダーを表面に降ろしました。各宇宙船は安全に長期間のデータを返すことができましたが、火星に微生物が存在することは証明できませんでした。
1976年以降、火星ミッションで重要な突破口が出るまでに20年以上かかりました。1997年にNASAのパスファインダー・ランダーとソジャーナー・ローバーが火星表面に到達しました。
出典: Research Gate
2001年にNASAのマーズ・オデッセイが開始されました。これまでのところ、火星から地球へデータを送信し続けている最も重要なミッションの一つであり、20年以上にわたり赤い惑星から情報を中継しています。
火星への旅は米国だけに限られません。多くの国がその後の年々に足を踏み入れました。例えば、2014年にインドのオービター・ミッションが火星に到達し、2021年にUAEの初の惑星間ミッション「Hopeオービター」が火星に到達しました。同じく2021年に中国の天問1号が軌道に入り、3か月後に着陸機とローバーの展開に成功しました。
現在では、多くの国や企業が火星をより深く知るために積極的にミッションを展開しています。著名な研究機関も同様に尽力しています。その一例がMITが実施したミッションで、最新の研究は火星の「失われた」大気が実は「失われていない」可能性があると示唆しています。目に見える形で隠れているのかもしれません。
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火星の「失われた大気」の謎
厳密に科学的に言えば、ジョシュア・マレーとオリバー・ジャゴウツが発表した研究は、初期火星の炭素循環に対する超マフィック変成作用の影響を定量化しました。
彼らはノアチアン期の粘土が有機炭素を蓄える能力を算出しました。その計算結果（後述する数値部分）は、長期ミッションのエネルギー源として利用できる貯蔵庫の体積を算出する手助けになる可能性があります。研究結果はまた、水と岩石の相互作用が惑星の大気進化を制御することを示しています。
これらは一般の人には難解に思えるかもしれませんが、研究者たちが提案した内容は、火星の失われた大気の多くが惑星の粘土に覆われた地殻に閉じ込められている可能性があるということです。現象の起源をさらに詳しく説明すると、科学者たちは、かつて惑星に水が存在した時期に特定の岩石を通過し、ゆっくりとした反応連鎖を引き起こし、二酸化炭素を大気から取り除いてメタンに変換した可能性を指摘しています。
メタンは炭素の形態であり、惑星の粘土表面に何億年も蓄積できると考えられます。この研究が火星に関心を持つ科学コミュニティにとって最も有用だった点は、こうした蓄積された火星炭素を回収し、将来の火星―地球間ミッションの推進剤に変換できる可能性が示されたことです。
研究者でMIT地球・大気・惑星科学部（EAPS）のオリバー・ジャゴウツ教授は次のように述べています:
「このメタンは依然として存在し、将来的に火星でエネルギー源として利用できるかもしれません。」
惑星の歴史を知る重要性
研究とその成果は将来に大きな可能性を秘めていますが、もし科学者たちが惑星の歴史と組成を研究しなければ、この突破口は得られなかったでしょう。
この歴史を解明しようとする努力は、いくつかの重要な洞察をもたらしました。例えば、火星表面の遠隔測定の一部は、惑星の地殻の少なくとも一部に超マフィック火成岩が含まれていることを示唆しています。これらの岩石が形成される過程は、地球でスミクタイトが生成される過程と類似しています。
スミクタイトは表面粘土鉱物の一種で、炭素を非常に効率的に捕捉します。単一のスミクタイト粒子は何十億年もの間炭素を安定して保持できる多数の層を持っています。
超マフィック変成が火星にも同様の影響を与えていました。変成により形成されたノアチアン期の粘土は有機炭素を蓄えることができました。 粘土表面で最大1.7バールのCO₂が吸収可能と推定されます。無機メタン生成と火星のδ13C履歴の最良推定値を組み合わせると、研究者は0.6〜1.3バールのCO₂相当の貯蔵庫が存在すると予測しました。
研究者は超マフィック岩石の現象をさらに深く掘り下げました。水が火星の深部の超マフィック岩と反応し、現在表面を覆う粘土を生成した可能性を検討しました。研究は、岩石がオリビンに富んでいると結論付けました。
さらに、オリビンが豊富な岩石が炭素を蓄える可能性を調査し、オリビンが水と反応して地殻を流れ込むと、酸素と結合し水素を放出し、赤く酸化した鉄が形成され、これが惑星の赤い色の原因になると主張しました。
最後に、水中の自由水素が二酸化炭素と結合してメタンを生成したと考えられます。
この研究は米国国立科学財団（NSF）の支援を受けており、関与した科学者たちが複数の重要な主張を行ったことで、ゲームチェンジャーになる可能性があります。
「火星のこの時代、CO₂は至る所にあり、岩石を浸透する水にもCO₂が豊富に含まれていると考えています。」
– ジョシュア・マレー
研究の重要性を詳述すると、コロラド大学の地質学名誉教授であり、2014年から2019年まで火星大気と揮発性進化（MAVEN）ミッションを指揮したブルース・ジャコスキーは次のように述べています:
「マレーとジャゴウツは、岩石と大気の化学的相互作用がCO₂除去の手段になると検討しています。我々の推定する風化量の上限では、これは初期火星大気からCO₂を除去する主要なプロセスになる可能性があります。」
要約すると、研究は赤い惑星の歴史を掘り下げ、初期の厚い大気からCO₂がどこへ行ったのかを解明しようとしています。この疑問は火星の大気、気候、微生物の居住可能性を理解する上で根本的です。
研究機関以外にも、火星探査に関心を持つ企業があります。その一つがSpaceX (SPCX )です。
#1. SpaceX
SpaceXのミッション・マーズ は、人類を多惑星種にするというビジョンの実現に向けて道を切り開くことを目的としています。エロン・マスクはSpaceXの創設者であり、宇宙探査分野で世界的に議論される人物で、同社の火星ミッションに対して非常に野心的です。
「朝起きて未来が素晴らしいと考える――それが宇宙文明になることの本質です。未来を信じ、過去よりも良くなると考えることです。星々の間に身を置くことほどエキサイティングなことはありません。」
– マスク、ビジョンを語る際の言葉
SpaceXの火星ソリューション: Starship
StarshipはSpaceXの宇宙船とSuper Heavyロケットを組み合わせたものです。この組み合わせは、乗員と貨物の両方を地球軌道、月、火星、さらにはそれ以降へ運搬できる完全再利用可能な輸送システムとして機能します。世界で最も強力な打ち上げ機と評価され、再利用可能で最大150メトリックトン、使い捨てで最大250メトリックトンを運搬可能です。
SpaceXの公式発表によれば、同機は6か月で火星に到達し、時速7.5kmで火星大気に突入します。大気減速は空力的に行われ、軌道上での再給油が可能で、最大100トンを火星へ輸送できるとされています。
高い再利用性が組み込まれているため、タンク船はミッションコストを大幅に削減でき、主なコストは酸素とメタンという低コストの燃料に限定されます。
SpaceXが火星に関心を持つ理由は多面的です。同社は火星を地球に最も近い居住可能な隣人と見なし、十分な日光が得られると考えています。惑星の寒さを認識しつつも、温暖化させる自信があります。
しかし、マスク自身の発言によれば、火星ミッションは依然として高コストです。今月上半期の自身のX投稿によると:
「現在、火星表面へ有用なペイロード1トンを運ぶコストは約10億ドルです。自給自足型都市を構築するには1トンあたり10万ドルまで引き下げる必要があり、技術は1万倍向上しなければなりません。極めて困難ですが不可能ではありません。」
SpaceXはNASAと協力しています。2024年9月26日、NASAは一般公衆をSpaceX Crew-9ミッションのバーチャルゲストとして参加させることを招待しました。NASA宇宙飛行士ニック・ヘイジ、指揮官、ロスコスモス宇宙飛行士アレクサンドル・ゴルブノフがSpaceX Dragon宇宙船に搭乗し、フロリダ州ケープカナベラル宇宙軍基地のSpace Launch Complex-40から2024年9月28日土曜午後1時17分EDT以降に打ち上げられる予定です。
SpaceXは最も重要で機密性の高い民間企業の一つと見なされており、赤字の$20億の収益から、2023年には90億ドル、2024年には150億ドル、利益は30億ドルと報じられています。
#2. Blue Origin
もう一つの企業で、SpaceXと同じ市場で有名なのはジェフ・ベゾスが創設したBlue Originです。ミッションは「宇宙への道を築き、子どもたちが未来を創造できるようにする」ことです。
地球の利益のために何百万人もの人々が宇宙で生活・働くことを可能にするというビジョンで設立されたBlue Originは、人類が宇宙の無限の資源を活用し、地球上の有害産業を宇宙へ移転して地球を保護する未来を描いています。
同社のビジョンは、再利用可能ロケットによる宇宙アクセスの拡大など、実現可能なミッション要素に分割されています。将来の宇宙船は再利用可能な打ち上げ機と宇宙内システムで構成され、安全性が高く、低コストで、民間・商業・防衛のすべての顧客のニーズに応えることを目指しています。
同社は2012年からNew Shepardロケットと冗長安全システムのフライトテストを行い、これまでに22回の連続成功ミッションを達成し、3回の脱出テストも成功させています。運用上の再利用性が宇宙へのアクセスコストを下げる唯一の方法であると考えており、New ShepardとNew Glennは設計段階から再利用性を前提に作られています。
最新の報告によれば、Blue Originはこれまでに8ラウンドで総額596.4百万ドルを調達しており、最新の資金調達は2023年7月25日の34.7百万ドルのグラントVIIです。
結論的考察
世界で最も先見的なビジネスリーダーが火星探査に取り組んでいることは疑いの余地がありません。同時に、多くの国の最高の研究機関や宇宙機関も参加しています。目標は安全でコスト効果の高い火星へのルートを確立することです。
しかし、各ステークホルダーは、惑星の過去の出来事を効果的に理解することが成功の鍵であることを十分に認識しています。 NASAの公式発表によれば、同機関は長年にわたり「火星の初期歴史を解明し、地球を含む居住可能な世界の形成と進化を理解する」ための体系的な取り組みを行ってきました。
しかし、このような取り組みには財政的・知的リソースの両方が必要です。例えば、NASAが立ち上げたサンプルリターンプログラムは、火星から貴重なサンプルを地球に持ち帰るための革新的設計を求めており、史上最も複雑なミッションの一つで、予算は110億米ドルです。
NASA管理官ビル・ネルソンは次のように述べています:
「安全に着陸しサンプルを収集し、別の惑星のサンプルを搭載したロケットを打ち上げる――これはこれまでに行われたことがありません――そして33億マイル以上離れた地球へ安全に輸送するのは容易な作業ではありません。コストを抑え、合理的な期間でサンプルを返す方法を見つけるために、枠にとらわれない発想が必要です。」
このような巨大ミッションが進行する中で、宇宙プログラムへの予算配分が地球を持続可能にする取り組みと競合し、資源が逼迫する可能性があることも忘れてはなりません。宇宙ミッションが地球とその住民、人類文明、動物界、そして私たちが暮らす豊かな自然に利益をもたらすようなバランスを取る必要があります。
