火星で私たちはどう死ぬか: 将来の火星旅行の問題を解決する

火星に人間が永続的に存在することは危険だが、研究者らは将来の住民が安らかに死ぬまで十分長く生き続ける解決策を見つけようとしている。 それがどのように起こるかは次のとおりです。

談話室に集まった弔問客たちは、脳動脈瘤で亡くなった先駆的な地質学者の遺体に別れを告げる。 火星基地の追悼式は、入植者仲間を追悼するものですが、同時に人類の節目を祝うものでもあります。2034 年 6 月 23 日、彼女は火星で自然死した最初の人物となりました。

法要の後、弔問客らが墓のない墓地となっている公共の森に向かう間、2人の技術者が遺体の服を脱がせ、ステンレス製のポッドで囲まれた部屋に移す。 これらは組織消化器です。 技術者は遺体を空のポッドに移し、蓋を密閉します。 すぐに、苛性塩基である水酸化カリウムが添加された水で満たされます。 次に、ポッドを華氏 300 度に加熱し、70 psi に加圧します。

約 12 時間の加圧調理アルカリ加水分解の後、自動シューシュー音とともにポッドが排出され、骨だけが残ります。 ブロスはコロニーの嫌気性消化槽にパイプで送られ、そこで微生物が生分解性廃棄物を分解して、宇宙船や他の乗り物の燃料となるメタンガスを生成します。 残った液体は骨と一緒に肥料となり、加熱乾燥されて窒素とミネラルが豊富な粉末に粉砕されます。 窒素はクロロフィルの重要な成分であり、火星の作物の栽培に使用される肥料への貴重な添加物となっています。 残った固形物は堆肥箱に移され、最終的には壁、デッキ板、パーティクルボードなどの建築材料が形成されます。 すべての分子が再利用されます。 火星には埋め立て地はありません。 火星で死ぬことは火星で生きることを意味し、私たちの種が火星がもたらす危険を克服したことを意味します。 宇宙の旅、危険な着陸、異星での生活の過酷な現実といった危険は恐るべきものです。 そして、人々が火星に長く滞在するほど、課題は増大します。

今日、エンジニアたちはひるむことなく、明日の火星の葬儀につながる可能性のあるソリューションを開発しています。 そして、スペースXが火星定住という野心的なスケジュールを守ることができれば、早ければ2029年にも最初の人類が着陸する可能性がある。 スペースX創設者のイーロン・マスク氏は2020年9月の会見で、「これは非常に難しく、危険で、難しいことだ。気の弱い人には向いていない。死ぬ可能性は十分にある」と語った。それがうまくいけば、それはとても素晴らしいことになるだろう。」

火星で物事を「うまく進める」ということは、異世界の永住者を送り届け、サポートするための新しい機器、宇宙船、着陸船、インフラの世代を設計することを意味する。 宇宙船が地球を離れた瞬間から、入植者の各段階は、入植者が火星で充実した生活を送れるようにするためのエンジニアリングによって定義されます。

それぞれの舷窓は、頑固な人間の反抗心と生物中心主義の象徴です。 なぜ彼らに自分の目でどこへ行くのかを見る能力を与えずに、この種をここまで連れて行くのでしょうか？ それは人間の心理的な脆弱性の表れでもあります。 宇宙船の隔壁の境界を越えて何かを見つめることは、目だけでなく心にとっても嬉しい安らぎになります。 NASA の人間研究プログラムは、長期宇宙飛行中の人間の健康に対する主要な脅威の 1 つとして「隔離と監禁」を評価しています。 火星に到達するには約 3,500 万マイルの旅が必要で、おそらく窮屈で整列された船で少なくとも 6 か月はかかることになる。

無重力の吐き気に襲われた日々は、地球の太陽周期に近い室内照明によってのみ分離され、融合することができます。 乗客は毎日の運動、雑用、健康診断などで忙しくさせられており、それらはすべて自分自身と同伴者を身体的、精神的に健康に保つためのものである。 人間の体は重力を中心に設計されています。 それは本質的には流体の加圧容器であり、重力によってそれらの流体が私たちの足元まで引き下げられます。 しかし宇宙では、その体液が上半身に自由に流れ込み、頭蓋骨内の動脈圧が上昇し、頭が腫れ、視力が損なわれ、認知能力が低下します。

地上の医師たちは、体液を脚に引き寄せる下半身陰圧 (LBNP) チャンバーを使用して圧力の不均衡に対処します。 1970年代後半、宇宙飛行士は高重力下で体液が再調整される際の停電を恐れて、高重力着陸に備えて同様の機械に体を縛り付けたが、不快でセットアップに時間がかかりすぎた。

LBNP の更新版が間もなく宇宙に帰還する可能性があります。 2019年12月、カリフォルニア大学サンディエゴ校の宇宙生理学者アラン・ハーゲンス博士は、移動式LBNPスーツの設計を説明した論文を航空宇宙医学とヒューマンパフォーマンス誌に発表した。 「床から物体を吸い取る掃除機のように機能します」とハーゲンズ氏は言う。 「しかしこの場合、誰かの体を腰まで吸い込み、カヤックのスカートのようなもので部屋に閉じ込められます。」

火星への旅では、旅行者（および電子機器）は、保護されていない場合、6～9 か月の宇宙放射線にさらされることになります。 地球上の宇宙放射線による年間平均線量は合計 0.33 ミリシーベルト (mSv) で、医療用 CT 装置はスキャンごとに 2 ～ 10 mSv の放射線を照射します。 探査機キュリオシティは火星への旅行中に放射線検出器の電源を入れ、1日あたり平均1.8ミリシーベルトを測定した。 このデータを使用して、サウスウェスト研究所は、火星への旅行で旅行者が 330 ミリシーベルトという膨大な量の被ばくにさらされると計算しました。 1,000 mSv は致死的な癌リスクを 5% 増加させます。 現在のNASAの宇宙飛行士の上限は3パーセントだ。 火星に向かう宇宙船には頑丈な放射線シールドが必要であり、研究者たちは新しいアプローチを考案している。

軽量アーマー →宇宙船を放射線から守る主な障害は重量ですが、材料科学の進歩により、物理的なシールドがより魅力的なものになりました。 たとえば、2020年の研究では、めったに使用されないシリコンポリマーであるペルヒドロポリシロキサンが、X線、ガンマ線、中性子の優れた吸収体であることが判明しました。 2020年のNASAの別の研究では、酸化金属粉末（錆び）をポリマーに混合し、それを一般的に使用されるコーティングに組み込むと、重量を最小限に抑えながら荷電粒子を反発するのに役立つことがわかりました。

帯電したクモの巣 →放射線に対する洗練された解決策は、負の高電圧に帯電した大型の軽量のシモ目構造を展開して、入ってくる正に帯電したイオンをすべて反発することによって実現できる可能性がある。 この静電シールドは、コロナ質量放出と呼ばれる太陽からの爆発によって引き起こされる陽子嵐を防ぐもので、船が日常の保護に別のシステムに依存している間は、そのような出来事が発生した場合にのみ展開できます。

目に見えないバブル →磁場が地球を宇宙放射線から守ってくれるなら、火星への旅行に磁場を持って行こうではありませんか? NASA は、この技術に関する長年の研究を後援してきました。 最も有望なものは、磁気圏双極子トーラス (MDT) と呼ばれる設計で、ほとんどの形態の宇宙放射線を反発する磁場を生成する巨大な超伝導リング磁石を備えています。 逆に流れる電流を伴う補償コイルは、船自体からの磁場を偏向させます。 NASA が現在進めている研究は、テスト用の小規模 MDT プロトタイプの開発に向かっています。

火星への着陸は難しいことで有名です。 大気の密度は地球の 100 分の 1 で、地面はしばしば塵で覆われ、地形には岩、クレーター、斜面が散乱しています。 そして、「[火星]には、本当に迷惑になるだけの雰囲気が十分にありますが、私たちが望むほど役立つには十分ではありません」と、このインタビューの時点でMasten Space Systemsの主任エンジニアであったマット・クーンズは言います。

長年にわたり、宇宙機関は、探査機や着陸船を地表に届けるために、防護装甲、速度を落とすパラシュート、直前のスカイクレーン、跳ねるタッチダウン繭を組み合わせて使用​​してきました。 上記で紹介した直接推進着陸は、特にテキサス州南部で現在建造およびテスト中のスペースX社のスターシップで使用されているもので、比較的安全な代替手段となる可能性がある。 火星に恒久的な存在を構築するには、正確に着陸することが極めて重要である。安定したリズムで配送ロケットを植民地のインフラではなく近くに着陸させる必要があるからである。

幸いなことに、人類はすでに惑星間で素晴らしい成果を上げています。 2021年2月18日、NASAの火星探査機パーサヴィアランスは大気圏をパラシュートで飛行中に地上の写真を撮影し、見たものを火星偵察周回機が作成した搭載地図と照合した。 このシステムにより、探査車はサッカー場より少し広い、幅 82,000 平方フィートのエリア内に着陸することができ、これまでで最も正確な火星着陸となりました。

宇宙船はまた、着陸地点に危険がないことを確認する必要があります。 2020年10月、Blue OriginはNASAの次世代エイリアン着陸装置であるSafe and Precise Landing–Integrated Capabilities Evolution（SPLICE）を搭載したカプセルを打ち上げた。 西テキサスの低木地帯の上空 4 マイルで、SPLICE は 3D 画像を撮影して地図と比較し、目標に留まるように着陸機を自動的に調整し、地形に障害物がないことを確認しました。

1950 年代のパルプ SF ファンを喜ばせたのは、逆ロケットが宇宙船を着陸させる手段として好まれるようになったということです。 しかし、火星では、これらのプルームは、まさに着陸船が着陸を目指す場所である下の地形に深いえぐれを引き裂くだろうと、インタビュー当時マステン・スペース・システムズのチーフエンジニアだったマット・クーンズ氏は語る。 NASA の Innovative Advanced Concepts オフィスと提携して、Masten (現在は Astrobotic の一部) は、オンデマンドでクレーターに平らな表面を追加するインスタント ランディング パッドと呼ばれる可能性のあるソリューションを開発しました。

使い方

1→ 火星の表面上空数百メートルで、着陸船はホバリングします。

2 → アルミニウム ペレットがエンジンの排気ノズルに供給され、そこで部分的に溶解し、表面に吹き付けられます。

3 → ペレットは着地場所の表面に層を形成し、ほぼ即座に硬化して厚さ 1 インチ未満の殻になります。 「最初の層を一度構築すれば、残りの層は非常に簡単に構築できるはずです」とクーンズ氏は言います。

4 → 15 秒間のスプレーを 5 回も展開した後、着陸船はメインエンジンの動力を受けてきれいで安定した地表に着陸します。

太陽フレアは、火星の地表ですでにひどい背景放射線（地球上の放射線の約 38 倍）をさらに危険なものにします。

このため、最初の火星人は地下壕に住む可能性が高い。 コロラド大学地質科学教授で火星の大気と揮発性進化の主任研究員であるブルース・ジャコスキー博士は、「居住地の上に1～2メートルの土を盛るなどの予防策が必要だ」と語る。 MAVEN) 地球の気候を研究する周回衛星。 「水は保護にもなりますので、水タンクで覆われた生息地を構築することもできます。」 2 つのうち、土を使用する方が理にかなっています。 水素分子は放射線を効果的に遮断しますが、水中では拡散します。 このため、ガンマ線の透過を安全なレベルに減らすには、約 14 フィートの水が必要ですが、袋に入ったりレンガに焼かれたりした火星の土はわずか数インチです。

到来する太陽嵐の検出は、地球上の竜巻警報システムと同様に命を救うために重要です。 大規模な噴出は、数分以内に死亡する可能性のある放射線量をもたらす可能性があり、多くの小さな嵐による放射線の蓄積は、がんを含む長期的な健康上の問題を引き起こす可能性があります。 火星のローカルな宇宙天気予報には、独自の衛星と地上局が連携して動作する必要があり、1 つは火星に衝突する粒子を測定し、もう 1 つは地表に到達する粒子の数と移動速度を検出します。 速度が高いほどダメージも大きくなります。 ひどい嵐の時には、火星人は厚い土や水の層で守られた地下室に避難する可能性があるとジャコスキー氏は言う。 地上に捕らえられた者はその場に避難しなければなりません。

大気は95パーセントが呼吸不可能な二酸化炭素です。 気温は、地球の華氏 116 度から -114 度に比べて、華氏 70 度から -200 度の間でより低く偏っています。 幸いなことに、原子力基地では蒸気が遍在しているため、入植者は熱いシャワーを楽しむことができます。 地球とは異なり、ここではエネルギー政策についての議論はありません。NASA、スペースX、中国国家航天局は、新興の火星植民地にとって原子力だけが信頼性があり十分効率的であると認識しています。

地球全体の温度差（赤道では暑く、極地では寒い）により、巨大な低気圧や極前線が発生し、季節性の暴風雨が発生します。 火星の大気の薄さは、たとえハリケーンの速度であっても、実際の風の力を奪います。 しかし、それらの突風で渦を巻く表面の細かい粒子は、地球の大部分を包み込む可能性のある砂嵐を引き起こします。

この粉塵は危険ですが、視界を遮ったり、機械を詰まらせたりするだけではありません。 探査機や人工衛星は、火星の地表で風に巻き上げられる可能性のある有毒な過塩素酸塩（地球ではロケット推進剤の製造に使用されるほど反応性の高い塩）の濃度を検出した。 「これらは、摂取すると甲状腺によるヨウ素の取り込みを阻害するため、人間の健康にも危険を及ぼします」と、NASA 火星探査機数機の科学チームの協力者であり、ワシントン D.C. のプラネット フェデラルで科学プログラムのマネージャーを務めるターニャ ハリソン博士は述べています。そして、（火星の）過塩素酸塩の地球規模の分布と濃度もわかりません。」

人々が火星に到達する頃には、天気の謎は少なくなるでしょう。 NASA の最新の火星探査機パーサヴィアランスは、粉塵レベル、風速、大気圧、相対湿度、気温、地温、放射線の変化を記録する火星環境動態分析装置 (MEDA) と呼ばれる一連の気象センサーを搭載して 2021 年に到着しました。

「実際に火星では、InSight、Perseverance、Curiosity を同時に運用することになります」と、いくつかの MEDA センサーの主任研究員であるコーネル大学の Don Banfield 博士は述べています。 「火星ではそれらはすべて互いにかなり離れていますが、すべての結果を比較することは、マイアミ、ニューヨーク、東京の天気を見て学ぶ方法と似ています。」 (NASA の InSight 着陸船は塵の蓄積によりその後停止しました。)

NASA の勇敢な探査機群にもかかわらず、別の異星人の特異性のリスクを判断するために利用できる同様の情報はほとんどありません。火星の重力は地球の重力の約 38 パーセントです。 「私たちは分数重力についてはあまり時間をかけていませんでした」とUCSDの宇宙生理学者アラン・ハーゲンズは言う。 「重力の 6 分の 1 である月で私たちがそれを行ったのはほんの数日間だけです。どの程度適応できるかは本当にわかりません。」

研究により、微小重力によって脳、筋肉、腸、個々の心臓細胞の形状が変化する可能性があることがわかっています。 2020年に研究者らが宇宙に行った線虫のゲノム変化のパターンを発見したことから、さらに奇妙な影響が潜んでいる可能性がある。 これらの遺伝的変化には、筋肉の太いフィラメントの厚さの減少が含まれており、これは宇宙飛行士が宇宙で筋肉量を失う理由を説明するのに役立つ可能性があります。 線虫の細胞骨格のレイアウトも、宇宙に旅しなかった線虫よりも短く太くなるように進化しました。

火星人が到着してから数年以内に、火星人が最初に住んでいた地下構造物は、巨大なハチによって建てられたように見える独立した生息地に取って代わられました。

ロボット アームは、湿式建築材料（強化玄武岩繊維と廃棄物燃料バイオリアクターから供給されるポリ乳酸の混合物）を急速に硬化する層に適用することにより、赤茶色の火星の住居を 3D プリントします。 シリンダーは、その曲面がより高い圧力に耐えることができるため、圧力容器としては理想的な形状です。 また、室内スペースも最大限に確保できます。 各建物は風雨から保護され、地下トンネルで相互接続されており、快適な大きさの部屋を備えたフロアに分かれています。

各構造は熱可塑性プラスチック素材で二重殻になっています。 内壁と外壁の間の空間は光の井戸として機能し、構造物の先端から内壁の窓を通して自然光を他の階にもたらします。 水で満たされた透明な屋根からは、柔らかな日差しがエクササイズ ルームに降り注いでいます。 目標は、火星の地表に実用的な潜水艦を建設することではなく、快適な家を建設することです。

火星の自動化された労働力の先駆者は、今日すでに形を整えつつあります。 NASA は 10 年間にわたってケネディ宇宙センターで毎年ロボット採掘コンペティションを開催し、数多くの可能な計画を生み出してきました。 これまでの開発は、単一の超高性能自律採掘ロボットに焦点を当てていました。 現在の主要なコンセプトは、足付き車輪で移動し、少量の氷を取り出すように設計された小型ロボットのフリートです。 群れの利点は、一部が壊れても、生命をもたらす採掘が継続できることです。

マステン・スペース・システムズはある時点で、ロケットの爆発からの氷の噴出物を小さなドームで捕捉する、より大量のアプローチを提案した。 「非常に短時間で数百トンの水氷を採取できました」とクーンズ氏は言う。 「小さなドームは基本的に圧力を高めて深く掘削できるようにし、揮発性物質も捕捉します。」 空気と水が考慮されたら、次のステップは、地球上と同様の水耕栽培環境で食物を栽培することです。 水は使用前に消毒する必要があり、土壌には「塩や過塩素酸塩などの既知の不純物の修復」が必要だと、ジョンソン宇宙センターでNASAの火星建築チームとともに働くシステムエンジニアのスティーブン・ホフマン博士は言う。 火星の農民は土壌に栄養素を加える必要もあるだろう。

NASAが複数の大学と協力して火星に自立的で廃棄物ゼロの人類居住地を構築する基礎技術を開発する宇宙生物工学利用センター（CUBE）が実施した研究で、課題の真の範囲が明らかになった。 CUBE の研究者たちは、有毒な土地から栄養分を生産できる微生物を研究し、ナノテクノロジーを利用して生細胞内での複雑な分子の生産を強化し、狭く制限されたスペースに最適化された温室を設計しています。

技術者は、動物細胞のクローンを作成して、ほとんどがビーガンの食事を補うために研究室で栽培された肉を作ることができます。 イスラエルの食品技術スタートアップ企業アレフ・ファームズは、2020年の国際宇宙ステーション（ISS）での実験で初めて宇宙で肉を栽培した。 休日に肉を食べるのは火星の伝統になるかもしれない。

そして、何らかの理由でロケットの配達が遅れたり止まったりした場合、入植者は医薬品、衣類、道具、ビタミン、ロケット燃料を自分たちで作る必要がある。 一般的な材料を使用して 1 台の機械でほぼ無限の数の製品を製造する積層造形が役立つ可能性があります。 高級工場でも趣味のガレージでも同様に 3D プリンターが設置されているのが一般的です。 ISS には NASA が資金提供した 2 台の 3D プリンターがあり、2014 年と 2016 年から部品を大量生産し続けています。宇宙ドクターは、基本成分の在庫からオンデマンドで特定の医薬品を製造することができます。

もしコロニーが本当に自給自足していると考えられるなら、この現場での生産の規模は驚くべきものになるだろう。 イーロン・マスク氏は、完全な持続可能性を達成するには、約100万人を地球上に住まわせる必要があると述べた。 それは植民地や都市を超えています。 その時点で、火星は独自の政治的実体となるだろう。

開発のこの段階では、技術的リスクの概念が変わります。 人類を生かしてきた機械は完成しましたが、社会的脅威をもたらす可能性があります。 「少数の特定の人間が、空気、水、光、水耕システムといった生命の基本要素を制御するようになるだろう」と、レスター大学の国際関係教授ブレディン・ボーエン博士は2020年10月にスペースウォッチ・グローバル・ブログで書いた。 「宇宙居住地の住民は…生命を維持するテクノロジーの能力に対する純粋なニーズに、個人の自由を従属させる必要があるだろう。」

地質学者が火星で生涯を終えることを決意したとき、彼女は組織消化器に身を委ねるのと同じように、これらの個人的な犠牲を受け入れました。 彼女の遺体がここに永久に安置されることは決してないだろうが、科学者、先駆者としての彼女の役割は決して忘れられることはない。 地球で快適に過ごしている人には完全には理解できないかもしれないが、彼女にとって火星は単なる使命以上のものになった。 それは彼女自身のためだけではなく、新しい生活でした。

編集者注: 編集ミスのため、この記事の以前のバージョンでは、Matthew Kuhns の職歴が誤って記載されていました。 記事を更新しましたが、間違いをお詫び申し上げます。

Joe Pappalardo は Popular Mechanics の寄稿者であり、新刊『Spaceport Earth: The Reinvention of Spaceflight』の著者です。

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