宇宙
NASA SR-1 Freedom: 初の核宇宙船の構築
宇宙で物体を移動させることは、宇宙船が惑星の重力井戸から脱出した後でも非常にエネルギーを消費します。これは、天体間の距離が非常に広大であることが一因です。
例えば、月と地球の距離がたった0.25メートルだとしたら、火星と地球の距離は500メートル、海王星までの距離は30,000メートルになります。
したがって、宇宙船が重くなるほど、この膨大な距離を横断できる速度で質量を動かすために多くのエネルギーが必要です。そして減速する際にも同じエネルギーが再び必要になります。
深宇宙探査や惑星間飛行のもう一つの制約は、推進力を得るために質量を排出しなければならないことです。しかし燃料が多ければ多いほど無駄重量が増え、推進にさらにエネルギーが必要になります。そのため、強い加速を得るには、排出される燃料を非常に高速で押し出し、より大きな運動量を生み出す必要があり、エネルギー源はできるだけ高密度である必要があります。
これらすべての理由から、宇宙旅行に核エネルギーを利用するという考えは、核発電の始まりと同じくらい古いものです。ウランは想像し得る最も高密度の「燃料」の一つで、1キログラムのウランは最大で2300万kWhを生成でき、これは1kgの石油の13kWhや1kgの石炭の7kWhと比較して非常に大きいです。
しかし、これまでに考案された宇宙旅行用推進システムは、いまだ実用化されていません。比較的一般的に使用されている核エネルギーは、放射熱発電装置（RTG）で、放射性元素の比較的短い半減期の受動的崩壊を利用して、深宇宙のローバーや探査機に何年、場合によっては数十年にわたって電力を供給します。
この状況は近いうちに変わる可能性があります。『SR-1 Freedom』という宇宙用原子炉が登場し、SRは「Space Reactor（宇宙原子炉）」を意味します。
この核電気推進システムは2028年までに配備される可能性があります。火星へは、インジェニュイティクラスのヘリコプター3機からなるSkyfallペイロードを届けるために使用されます。主に技術実証のために使用されますが、計画されたサイズでは、通常の探査機よりも大幅に速くはなりません。
“Skyfallヘリコプターはカメラと地中レーダーを搭載し、将来の着陸地点を偵察して斜面や人間規模の着陸機にとっての危険を把握します。また、地下の氷をマッピングし、氷床の位置、サイズ、深さ、その他重要な特性を特定します。”
NASAの核分裂表面電力プログラムエグゼクティブ、Steve Sinacore
これは、NASAプログラムの大規模なリセットの一環であり、月周回ステーションであるLunar Gatewayの完全な中止、アルテミス計画の再編成、そして将来の月基地のより野心的な構築が含まれます。これは、Artemis IIの成功裏の打ち上げ直後に行われ、50年以上ぶりに宇宙飛行士を月軌道に送ることになります。
The Many Types of Nuclear Space Propulsion
Nuclear Electric Propulsion
SR-1 Freedomの核推進システムは核電気式であり、まず核反応炉で電力を生成し、その電力を宇宙船エンジンの推力に変換します。
電力を推力、すなわち有用な運動に変換する最も一般的な方法はイオンスラスターであり、SR-1 Freedomでも使用されています。SR-1はホール効果スラスターを採用しています。
これらのスラスターは電気でガス（通常はキセノンまたはクリプトン）をイオン化し、燃料として使用するガスにエネルギーを「充填」します。これらのエンジンは45〜60％という非常に高い効率と高い比推力を持ち、同じ推進効果を得るために必要な燃料質量が少なくて済みます。
しかし、イオンスラスターは個々には比較的弱いため、ゆっくりとした安定した加速が積み重なって高速になる長距離旅行に最適です。
これまでイオンスラスターは使用されてきましたが、探査機の太陽電池が供給できるエネルギーに制限されています。核電源を使用すれば、はるかに大きな推力と加速が得られます。
核電力生成とイオンスラスターはどちらも成熟した技術であるため、これが最も実用的な核推進方式です。したがって、設計とエンジニアリングさえ整えば、両者を組み合わせることが可能であり、SR-1の配備期限が短い理由となっています。
Nuclear Thermal Propulsion
核反応炉は放射性崩壊を熱に変換し、その熱を電力に変換して発電します。
したがって、この推進方式は中間段階を省き、熱そのものを直接利用します。核エネルギーで燃料（通常は液体水素）を超高温に加熱し、熱ガスを噴射して推進力を得るという考え方です。
理論上はこの方式は巨大な推進力を生み出す可能性がありますが、実際には大量の核エネルギーと燃料が同時に必要となり、通常の惑星間探査機やStarshipのような超重量ロケットよりもはるかに大きな宇宙船に適用されます。
Other Nuclear Propulsion System
核エネルギーのエネルギー密度は、さらに大胆な概念を生み出しています。
例えば、1950〜60年代に真剣に議論されたプロジェクト・オリオンは、冷戦の中心にありました。核爆発の連続を主な推進手段とし、宇宙船は巨大なシールドで放射線や損傷から保護されるという、核パルス推進と呼ばれる概念です。
他のアイデアとして、核分裂片ロケットやガスコア反応炉ロケットなどがあり、核燃料自体を推進剤として排出することを検討しています。
しかし、これらのアイデアはほとんどの場合実用的というより理論的であり、必要とされる宇宙船の規模が近い将来に実現可能な範囲を超えていることが主な理由です。
Why Has Nuclear Propulsion Not Happened Yet?
Geopolitics
部分的には、核推進が実現しなかった理由は、単に必要性がなかったからです。月への複数回の着陸後、ソ連と米国の宇宙競争は冷めました。
さらに、ソ連崩壊に伴い、より大型の宇宙船や将来の宇宙基地への野望は数十年にわたり消えました。
太陽から遠く離れた探査には、放射熱発電装置で十分でした。そのため、有人飛行（国際宇宙ステーションまで）や小型探査機を火星やさらに遠くへ送る際に核推進は必要ありませんでした。
しかし、中国が非常に真剣な宇宙大国として台頭したことで、月と火星への新たな宇宙競争が始まりました。これが、米国の核推進プロジェクトが復活した理由と考えられます。核推進は、火星やそれ以降への本格的な有人飛行に必要になる可能性が高いからです。
Politics And Nuclear Image
チェルノブイリや福島などの事故により核エネルギーのイメージは損なわれ、宇宙に核反応炉を送るという考えは人気がなくなっています。政治的な強い支援がなければ、これらのプログラムは試作段階やテスト段階から実際の宇宙船へと進む勢いを得られませんでした。
さらに、1967年の宇宙条約と1963年の部分核実験禁止条約により、プロジェクト・オリオンのような核推進概念は実現不可能となりました。
最後に、宇宙への物質打ち上げは常にリスクが伴い、ロケットが失敗や軌道へ向かう途中で爆発する危険があります。
このような場合、放射性物質が広範囲に拡散する可能性があり、実際の量が極めて少なくても、放射性物質事故（POR）のリスクがNASAを慎重にさせ、米国の政治指導部からの強い後押しがなければリスクを取れませんでした。
Technical Issues
核反応炉は、特に1950〜1990年代においては巨大な装置であり、質量が重要視される宇宙では使用が非常に困難、あるいは不可能です。さらに、反応炉の放射線を遮蔽するためのシールドが追加の質量をもたらします。
SMR（小型モジュール型原子炉）やマイクロリアクターの時代ではこの限界は緩和されていますが、これらの技術は比較的新しい開発です。
中性子が周囲の材料に当たることで脆化が起こり、航空宇宙材料に亀裂や損傷を与える可能性があります。そのため、これらの影響をより深く理解し、対策を講じる必要があります。
核熱ロケットは水素腐食にも弱く、水素は非常に攻撃的になり、想定温度である2,200°C（4,000°F）で反応炉や推進部品を侵食します。
SR-1 Freedom Design
A Power Reactor And Many Firsts
SR-1 Freedomは20〜40 kWeの閉ループブレイトンサイクル核分裂炉を基盤とし、核熱源とガスタービン電力変換システムを密閉ループで組み合わせた設計です。廃熱はチタン製の大型ラジエーターを通じて宇宙へ放出されます。
出典: CNET
この反応炉は高濃縮低濃縮ウラン（HALEU）を燃料とし、ウラニウムジオキシド燃料を使用します。これは兵器級燃料よりも取り扱いが安全です。
電子機器（および将来の宇宙飛行士）を反応炉の放射線から保護するため、ホウ素炭化物の放射線シールドで覆われ、放射線が宇宙船から遠ざけられます。
SR-1は核推進の最初のプロトタイプや概念ではありませんが、実験室を出て宇宙へ到達する初のものとなります。これは数十年にわたる経験と投資の上に築かれています。
“6十年にわたり、米国は数十の宇宙核プログラムに200億ドル以上を投資し、1965年にSNAP-10Aという唯一の原子炉を打ち上げましたが、軌道を離れることはありませんでした。何十億ドルも費やし、何十年も失われました。SR-1はそのパターンを終わらせます。2028年12月の火星打ち上げウィンドウは、数十年の研究が決断できなかったことを強制します。”
NASA管理官 Jared Isaacman
Reusing Lunar Gateway Modules
SR-1の超高速展開が可能なもう一つの要因は、宇宙船のイオンスラスター部分がすでに準備できていることです。
使用される推進システムは、ほぼ完成したNASA開発の宇宙船バスであるPower and Propulsion Element（PPE）で、当初はLunar Gateway向けに開発されました。
月の宇宙ステーションは廃止される見込みであり、その構成要素は主に欧州、日本、韓国、カナダなどのNASAパートナーによって製造されており、SR-1のようなプロジェクトで再利用され、NASAと米国の新たな宇宙野望により適合します。
“すべての資産、すべてのキログラム、そして我々が持つ月探査資源はすべて一つのことに集中します。それは月基地の建設です。”
Gatewayプログラム副マネージャー Carlos Garcia-Galan
PPEは、Busekが製造した4基の6kWホール効果スラスターと、NASAとAerojet Rocketdyne（L3Harrisの子会社）が開発した3基の12kW先進電気推進システム（Hall-effect）スラスターを装備しています。(LHX )
実験的核反応炉がメンテナンスやトラブルを要する場合に備えて、PPEの高性能太陽電池アレイも保持されます。
Beyond SR-1
Toward More Nuclear Energy In Space
SR-1の目的は、推進だけでなく他の用途にも核反応炉設計の実証を行うことです。
したがって、将来的には有人火星飛行に使用される可能性がありますが、よりすぐに活用できる用途もあります。
例えば、SR-1 Freedomの火星飛行で収集されたデータは、Lunar Reactor-1（LR-1）の開発に重要です。
“2030年代には、さらなる原子炉の量産へと規模拡大します。数百キロワットからメガワット級の原子炉を、すべての核用途に向けて提供することを目指します。月への高出力ミッションや、商業参加と再現可能な生産を伴う有人火星ミッションが可能になります。”
NASAの核分裂表面電力プログラムエグゼクティブ、Steve Sinacore
この核分裂炉は、太陽光がない期間でも月基地に継続的なエネルギーを供給するよう設計され、閉ループブレイトンサイクル電力変換装置も使用します。
“核分裂表面電力プログラムは、フェーズ3で更なる容量を提供することを予定しており、月基地に必要とされる容量を満たすために、太陽光に依存せず、暖房や電力供給が可能になることは、我々の前進にとって金になるでしょう。”
Gatewayプログラム副マネージャー Carlos Garcia-Galan
それでも長期的には、SR-1の最も重要な遺産は、化学ロケットで9か月以上かかるのに対し、4か月以下で火星への有人核飛行が可能になる点でしょう。
Future Nuclear Propulsion Systems
当初2027年に計画されていた熱ロケットエンジン「DRACO」（Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations）は、2025年にキャンセルされました。SpaceXのStarshipなどのロケットが軌道およびシスルナー旅行に十分と判断されたためです。
それでも、この技術は火星への旅行時間を半減させる可能性があり、SR-1の潜在的な遺産と似ています。
長期的には、電気核推進が標準化すれば、他の形態の核推進も実用化できる可能性があります。
別の可能性として、SR-1タイプの推進システムを貨物船に搭載し、月や火星間を往復しながら他の宇宙船を加速させ、ガス推進剤や放射性燃料の定期的な補給だけで運用できるというものがあります。このように同一システムで多数の深宇宙ミッションに推進力を提供できます。
この概念では、電気または熱核推進は、SpaceXが軌道打ち上げで実現したように、再利用可能で長寿命の宇宙船を作り、コスト削減と宇宙旅行の効率化を実現し、はるかに大きなペイロード質量を移動させることが可能になります。
Investing In SR-12 Freedom
L3Harris
(LHX )
L3Harrisは主要な航空宇宙プロバイダー兼防衛企業で、2019年にL3 TechnologiesとHarris Corporationが合併して誕生しました。
同社はSR-1向けのホール効果スラスターを提供するだけでなく、将来の米国月基地に核エネルギーを供給する核分裂表面電力プログラムの開発にも直接関与しています。
“核推進は、太陽系の最遠部やそれ以降への探査を可能にし、国家安全保障を強化し、画期的な発見を実現します。宇宙での機動性は、最も野心的なロボット探査や他の独自の政府用途にとって長らく制約となってきましたが、L3Harrisはその制約を取り除くことにコミットしています。”
L3HarrisのAerojet Rocketdyne部門、Space Propulsion and Power Systems部門の社長 Kristin Houston
同社の電気推進システムは、NASAのドーンミッションで小惑星帯のセレスとベスタへの探査にも使用されました。
同社は核熱推進（NTP）も検討しており、電気核推進での新たな経験と、放射性同位体熱電発電機（RTG）での長年の経験を活かしています。RTGは火星のキュリオシティ・ローバーとパーサヴィアランス・ローバーの電源として使用されました。
しかし、宇宙は同社の事業の一部に過ぎません。
同社の主力事業は、米軍および同盟国に対し、戦術無線の世界市場の半分を占める安全な通信、指揮センター、レーダー・通信システム、電子戦、ミサイル発射検知衛星などを提供することです。
SR-1に推進システムを提供するAerodyneは、ミサイル防衛システム用弾薬を含むミサイルの主要メーカーでもあり、ウクライナやイラン戦争により在庫が大きく圧迫されています。
一般的に、米軍予算が1兆ドルから1.5兆ドルへと拡大する計画は、防衛セクターの投資家全体に好影響を与えると見込まれます。特にウクライナ戦争で在庫が枯渇し、イランとの戦争で弾薬とミサイル防衛の必要性が明らかになったためです。
この最後の軍事戦略の変化が、L3Harrisに最も大きな利益をもたらす可能性があります。ウクライナがドローンと電子戦の重要性を示し、イランとの紛争がミサイル防衛の重要性を浮き彫りにしました。さらに、迎撃ミサイルの在庫が深いことが重要で、1発の迎撃対象ミサイルにつき2〜3発の迎撃ミサイルが必要です。
加えて、NASAの新たな野望は、イオンスラスターと宇宙核電力の主要供給者として同社に利益をもたらすでしょう。
（当社の投資レポートで、L3Harrisの航空宇宙および防衛活動について詳しく読むことができます。）
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