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NASAは今後10年以内に宇宙飛行士を火星に送る計画を立てている。これには多くの困難が伴うが、とりわけその距離は遠く、その結果生じる健康リスクも大きい。このため、NASAは生命維持や放射線防護から原子力や推進要素に至るまで、多くの技術を調査し、投資している。特に有望な技術は核熱推進(NTP)で、火星への通過時間を大幅に短縮できる可能性がある。通常片道6ヶ月から9ヶ月かかるところを、NTPシステムが稼動すれば100日から45日に短縮できるのだ!

今年1月、NASAと国防高等研究計画局(DARPA)は、核熱推進(NTP)システム(DRACO:Demonstration Rocket for Agile Cislunar Operations)を開発するための省庁間協定を開始すると発表した。そして昨日、DARPAはLockheed MartinとNTRシステムのプロトタイプである実験用NTRロケット(X-NTRV)を設計・製造する契約を締結したと発表した。

この発表に続き、NASAとDARPAは7月26日(水)午後1時(米国東部標準時、PDT午前10時)にメディア向けの電話会議をライブで開催した。この電話会議はNASAのWebサイトでライブストリーミングされ、専門家パネルがDRAGOプログラムの最新開発について議論し、さまざまなメディアからの質問に答えるという内容だった。パネルは以下の4名で構成された:

  • Anthony Calomino博士(NASA、宇宙核技術ポートフォリオ・マネージャー)
  • Tabitha Dodson博士 DRACOプログラム・マネージャー
  • Kirk Shireman氏 Lockheed Martin月探査キャンペーン担当副社長
  • Joe Miller氏  BWXT Advanced Technologies社長

原子力推進

原子力推進コンセプトは一般に、原子力電気推進(Nuclear Electric Propulsion: NEP)原子力熱推進(Nuclear Thermal Propulsion: NTP)の2つに分類される。NEPコンセプトは、ホール効果スラスター用の電力を発生させる原子炉で構成され、電磁場を使用して不活性ガス(キセノンなど)をイオン化・加速し、推力を発生させる。逆にNTPは、原子炉で液体水素や重水素を加熱し、急速に膨張するガスをノズルに通して推力を発生させる。現在までにNEPのコンセプトは実現されていないが、NTPを含む実験は宇宙時代にさかのぼる。

NASAの場合、こうした努力の結果、1961年から1969年にかけて実験に成功したロケット用原子力エンジン(NERVA)が誕生した。アポロ時代の終わりとともに、この技術をさらに発展させ、宇宙船に組み込む努力は棚上げされた。これは予算環境の変化と、スペースシャトル計画や宇宙ステーションの開発などの新たな優先事項を反映したものだった。2017年、火星への有人ミッションが目前に迫り、NASAはNTPプログラムを再開した。

効率の改善に加え、核熱推進システムは事実上無限のエネルギー密度を持ち、必要な推進剤を大幅に削減する。このため、軌道上で燃料を補給したり、火星で推進剤を製造して帰還したりする必要がない。化学ロケットの質量の大部分は推進剤と大型の推進剤タンクで構成されているため、将来の宇宙船は巨大で厄介なものになることもない。さらに、NTPエンジンは、化学推進システムでは不可能な火星への旅の中止シナリオも可能にする。

DRACOプロジェクトは、これらの努力の結実であり、より効率的かつ迅速にペイロードとクルーを二重星雲宇宙空間を通して、そして最終的には火星まで輸送することに焦点を当てている。DARPAのDRACOプログラム・マネージャーであるTabitha Dodson博士は、DARPAのプレスリリースで次のように述べている:

「DRACOプログラムは、国家に飛躍的な推進能力を与えることを目的としています。NTRは宇宙化学推進と同様の高い推力を達成するが、効率は2~3倍高い。実証に成功すれば、人類が宇宙をより速く、より遠くへ行くための手段を大幅に前進させることができ、核分裂を利用したすべての原子力宇宙技術の将来の展開への道を開くことができます」。

Lockheed Martin Spaceの月探査キャンペーン担当副社長、Kirk Shireman氏は、Lockheed Martinの別のプレスリリースで次のように述べている:

「より強力で効率的な核熱推進システムは、目的地間のトランジットタイムを短縮することができます。火星への有人ミッションでは、乗組員の放射線被曝を抑えるため、トランジットタイムの短縮が不可欠です。これは、人類と物資を月に輸送するために使用できる主要な技術でです。安全で再利用可能な核タグ宇宙船は、二重星雲での活動に革命をもたらすでしょう。より多くのスピード、敏捷性、操縦性を備えた核熱推進は、二重太陽系宇宙における国家安全保障にも多くの応用が可能です」。

DRACOプログラムは、NERVAプログラムで達成された進歩を活用しているが、高アッセイ低濃縮ウラン(HALEU)と呼ばれる新しい燃料に依存している。従来のウラン燃料は、核分裂反応でエネルギーを生成する主な核分裂性同位体であるウラン235の濃縮度が5%であるのに対し、HALEU燃料は濃縮度が5%から20%である。これにより、原子炉の小型化、単位体積当たりの出力向上、炉心寿命の延長、効率の向上、燃料利用率の向上など、原子炉の最適化が可能になる。

HALEU燃料の使用は、2019年8月に発行された国家安全保障大統領覚書20(NSPM-20)によって可能となり、宇宙における原子力発電と推進力に関する米国の政策が更新された。米国エネルギー省(DoE)はHALEU金属を提供し、米国政府への原子力部品と燃料の主要サプライヤーであり、DRACOプログラムにおけるLockheed Martinのパートナーの1社であるBWX Technologies(BWXT)が燃料に変換する。バージニア州に本拠を置くこの会社は、X-NTRVの動力源となる原子炉も製造する。

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(Credit: Lockheed Martin)

BWXT Advanced Technologies LLCのJoe Miller,社長は、同社のプレスリリースで次のように述べている。「今回の契約締結は、BWXT社が原子炉と燃料を設計、製造、配備する能力を、今日の世界でも他に類を見ない規模でさらに実証するものです。DARPAのために働くLockheed Martinとのパートナーシップは、BWXTの商業および防衛用途の原子炉設計のすでに印象的なラインアップに新たな重要な側面を加えるものです」。

DARPAはまた、原子炉が指定された軌道に到達するまで “コールド”(スイッチオフ)の状態を維持するようにシステムを設計することも示唆した。電話会議でDobson 博士が説明したとおりである:

「DRACOプログラムは、非常に明確なルールとガイドラインを定めており、プログラム上・技術上のさまざまな疑問を取り除くのに役立つと期待しています。例えば、私たちは地上で原子炉の電源を入れることはありません。電源を入れたことのない原子炉は冷たく無害であるため、輸送や監視の現場での作業が大幅に簡素化される。他の重金属と同じように、炉心の中に手を入れて燃料に触れることができる」。

テスト

DRACOスラスタの開発は、主にバージニア州リンチバーグ近郊にあるBWXT社のMt.原子炉が完成し、X-NTRVに組み込まれた後、米宇宙軍はX-NTRVを地球高軌道(HEO)に打ち上げる。Dobson博士が指摘したように、これはフロリダ州ケープカナベラルにあるNASAのケネディ宇宙センターから商業ロケットで打ち上げられる可能性が高い。

「ケープからの打ち上げを検討していますが、それには重量物運搬船が必要になるでしょう。何らかの理由で、より高い軌道に打ち上げる必要がある場合は、重量物運搬船が必要です。しかし、現時点では、重量物ではなく、標準的なフェアリングを備えたNSSL(国家安全保障宇宙打上げ)を考えています。つまり、Falcon 9かVulcan Centaurです」。

Calamino博士によると、この宇宙船はコアに推定100kg(220ポンド)のHALEU燃料と約2,000kg(4,400ポンド)の水素推進剤を搭載する。パネルディスカッションでは、今度の試験の安全性と放射線ハザードの問題について、いくつかの重要な懸念も取り上げられた。特に、打ち上げ時の不慮の事故や軌道上での事故により、デブリが地球に落下した場合にどうなるかという問題である。Calamino博士が説明したように、NTP炉はウラン235やプルトニウムに依存する核分裂システムよりもはるかに安全である:

「核分裂システムはラジオアイソトープ・システムではありません。核分裂システムは放射性同位元素システムではなく、全く異なるものです。放射性同位元素システムは、発電機に搭載される準備段階から、ペイロードに組み込まれて発射台に設置されるまで、ずっと放射性物質で汚染されています。プルトニウムは基本的に放射性物質である。ウラン239は、核分裂して核分裂生成物に囲まれていなければ、基本的には金属です」。

「周囲で作業するのは安全です。周囲にいても安全だ。プルトニウムのような保護措置は必要ありません。打ち上げ中や発射台で災難に見舞われたとしても、それによって発生する可能性のある破片は、そのような事故で飛散したり、他の場所に置かれたりする可能性のあるターボ機械によって発生する破片よりも悪くはない。その時点では放射性物質ではないのです」。

NASAとBWXTが検討しているもうひとつの安全対策は、臨界になるのを防ぐために原子炉内に「毒線」とシステムを挿入することである。これは、反応が不安定になった場合、燃料の高い反応性を低下させるために原子炉でよく使われる中性子吸収材料のことである。Calamino博士とMiller氏は、これらの要素を組み合わせることで、万が一試験中に何か問題が発生した場合でも、地球の大気や生物圏の汚染を防ぐことができると述べた。

2010年にNASAが “火星への旅”プログラムを開始したとき、500キロワット(kWe)の太陽電気推進(SEP)システムを使用して、提案された月面ゲートウェイと火星の軌道上にある同様のステーションとの間でクルーをフェリーで運ぶ深宇宙輸送機(Deep Space Transport: DST)を構想していた。残念なことに、その後、宇宙発射システム(SLS)やその他のミッション要素の開発に遅れが生じ、並行プログラム(アルテミス・プログラム)によって複雑化した。このため、NASAが当初期待していた2033年までにクルーによる火星探査を実施する準備が整わないのではないかという懸念がある。

核熱推進システムの実現は、こうした問題に対する2つの可能な解決策のうちの1つと考えられている。核熱推進システムの実現は、火星への迅速な往復を可能にするだけでなく、より大きな柔軟性をも可能にする。地球と火星が最も接近する26カ月ごとに打ち上げを行う(「火星のオポジション」)代わりに、「火星のコンジャンクション」の時期にミッションを送ることが可能になる。トランジットの短縮は、クルーが浴びる放射線量と微小重力下で過ごす時間(クルーによる火星ミッションの2大健康被害)を減らすことにもなる。

火星の先では、核熱、核電気、そしてその両方を組み合わせたシステム(バイモーダル推進)によって、小惑星帯、金星、その他の深宇宙へのミッションが可能になり、有人探査の範囲が効果的に拡大する。また、太陽系外縁部へ向かうロボット探査機のトランジットの短縮も可能になり、科学的帰還率が飛躍的に向上する。この技術が間に合うかどうかについては、これまで疑問視する声もあった。しかし、X-NTRVのテストが成功し、予定通りに完了すれば、NASAは2033年の打ち上げまでにNTPシステムを完成させることができるだろう。


Sources


この記事は、MATT WILLIAMS氏によって執筆され、Universe Todayに掲載されたものを、クリエイティブ・コモンズ・ライセンス(表示4.0 国際)に則り、翻訳・転載したものです。元記事はこちらからお読み頂けます。

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