本記事は連載の第2回である。第1回はこちら。

「数学的にも軌道の観点からも、そして特定の技術を前提にすれば、火星への行き方にそれほど多くのバリエーションはない。ほぼ答えは出ている。小数点以下の数字をここそこで調整することはできるが、基本的に化学ロケットの話をするのであれば、火星への行き方はほぼ決まっている」 - ジョン・アーロン^[1]

誰かの訪問を待つ孤独な祖父母のように空にぶら下がっている月とは対照的に、火星は独自の豊かな軌道生活を送っており、通りすがりの宇宙飛行士をもてなすためにいつもそこにいるわけではない。2つの惑星間の往来が可能になるのは26か月に一度訪れる短い窓だけで、この軌道力学上の制約はあまりに根本的であるため、リンドバーグが大西洋を横断した頃から、火星ミッションがどのようなものになるべきかはほぼ分かっていた^[2]。

化学ロケットを使う場合、選べるミッションの形態は基本的に2種類しかない（ここで示す所要日数は前後しうるが、代表的な値である）。

• 長期滞在型：火星まで6か月かけて飛び、17か月滞在し、帰りに6か月かける（合計約1000日）。合クラス（conjunction class）ミッションと呼ばれることもある。この方式は、往復の軌道を単純にする代わりに、火星での滞在を長く取る。
• 短期滞在型：火星まで6か月かけて飛び、30〜90日滞在し、400日かけて戻る（合計約650日）。衝クラス（opposition class）ミッションとも呼ばれる。火星滞在を短くする代わりに、内太陽系を抜ける長く、そして正直に言って恐ろしい帰路を強いられる。

それぞれの長所を比較する前に、両者に共通する点を強調しておきたい――どちらも長い。人類の宇宙滞在の絶対的な最長記録（438日）の倍以上、補給なしで滞在した最長記録（128日）の5倍、そして人類が低軌道以遠で過ごした累積時間（82日）の約10倍にあたる^[3]。この不都合な長さこそが、1960年代に火星へ行けるだけのロケットが初めて実用化されて以来、私たちが火星に行けずにいる最大の理由であり、どんな技術的障害よりも大きい^[4]。

そしてこの長さは惑星同士の相対運動によって決まるため、技術でどうにかできる性質のものではない。より高速なロケットを作ることはできても、火星自体を速くしない限り、行きの飛行時間を削った分は滞在時間の延長として跳ね返ってくるだけだ。往復を500日未満に抑えるには、推進技術か軌道上での燃料補給のいずれかで根本的なブレークスルーが必要になる^[5]。

滞在期間の異なる短期滞在ミッション（左）と長期滞在ミッション（右・オレンジ線）のデルタV要件の比較。500日付近での急激な上昇に注目。出典。

これが悪い知らせだ。良い知らせは、これらの制約が非常に強力であるため、特定の宇宙機やミッション設計にコミットしなくても、火星行きについて多くのことが言えるという点だ。海に生きる動物が聴覚に優れ流線形の体を持つ可能性が高いのと同じように、問題の性質そのものから、火星行きの宇宙機には必ず当てはまることがある。

I. 脱出も救援もない

火星への旅は、これまでの有人宇宙飛行には前例がないほど後戻りできないものになる。月着陸は、乗組員がいつでも赤いボタンを押して速やかに地球へ帰還できるように設計されていた。アボートが不可能なわずかな時間帯には、技術者たちは計算尺を噛みしめながらチェーン・スモーキングして過ごしたほどだ^[6]。

だが火星行きの乗組員は、打ち上げから数日以内に、補給も救援も望めないまま宇宙で数年を過ごすことを覚悟しなければならない。何かがうまくいかなくなった場合、ミッションを完遂する以外に残された選択肢は、打ち上げから約2年後に地球へ戻る長いループ軌道へと針路を変えることだけだ^[7]。そして火星で立ち往生すれば、宇宙飛行士は初期の南極探検隊と同じ状況に置かれる。無線で地球と連絡は取れるが、自然の抗いがたい周期のために、救援船が来るまで数か月から数年待つしかない。

長期滞在ミッションの各時点から50日、70日、90日で地球に帰還するために必要なデルタV（km/秒）。10 km/秒を超える値は現在の技術では現実的ではない。出典

この「アボート不能」という条件がもたらす効果は、火星ミッションの設計を極端にリスク回避的にすることだ。火星への飛行は、ワンカットで撮り切らなければならないアート映画のようなものだと考えてみてほしい。どのシーンも特別に難しいわけではなくても、すべてを順番通りに、止めることも撮り直すことも許されずに成功させなければならないとなれば、小さなリスクでも積み重なれば許容できなくなる。

この効果を直感的に理解するために、30か月の火星ミッションという単純なモデルを考えてみよう。毎月、宇宙機の重要システムが故障する確率が3%あり、一度故障が起きると宇宙機は劣化状態に入り、その後は毎月5%の確率で次の故障が乗組員の死につながるとする。

このモデルでは、乗組員が無事に帰還する確率は68%となる。だが、6か月で帰還できるアボート手段があれば、その確率は85%に跳ね上がる。そして3か月で帰還できる軌道があれば、安全に帰還できる確率は92%まで上がる。

これらの数値は仮定のものだが、アボート手段がないことが安全性にどれほど大きな影響を与えるかを示している^[8]。

この避けられないリスク回避志向は、あらゆる火星計画に緊張をもたらす。1兆ドルもかけて乗組員を送り込んだのに、彼らが宇宙機の中に縮こまるだけなら何の意味があるのか？ しかし、船外に出ることは火星で最も危険な行為の一つであるため、初期のミッションではそれを最小限に抑えなければならない。最初の訪問者たちは、可能な限り安全な場所に着陸し、ほとんど何もしないことが求められるのだ。

リスクは次の問題である信頼性と密接に結びついている。

II. 信頼性

人類がこれまでに作ったもので火星行き宇宙機に最も近いのは国際宇宙ステーション（ISS）だ。だが、ISSの技術者にその出来映えについて尋ねたとき、「信頼性が高い」という言葉が最初に出てくることはない――口にしてよい言葉の中では、最初に出てこない。20年にわたる努力にもかかわらず、ステーションの機器は絶えず故障し、地球から送られる交換部品の流れに依存している^[9]。

2023年にISSから地球へ返送するために梱包された故障した熱交換器

火星へ行くには、現状と比べて桁違いの信頼性向上が必要になる。宇宙機のシステムは壊れずに動き続けなければならないし、壊れるとしても乗組員が修理できる形で壊れなければならない。化学物質の漏洩や火災のような緊急事態が起きても、乗組員は船の残った部分で何年も生き延びられなければならない。そして低軌道では笑い話で済んだような不具合（スペースシャトルのトイレを尿のつららが塞いだような）が、火星行きの乗組員にとっては致命傷になりかねない。

事態をさらに複雑にしているのは、生命維持システムでは従来の信頼性工学の手法が通用しないことだ。そこではすべての要素が、しばしば乗組員自身の体を介して相互に結びついている。生命維持の工学は、ロケットを作ることよりも、海水水槽を維持することに近い。何が原因で何が結果なのかを切り分けるのは容易ではなく、システム全体が時間とともに変化し、本来は無関係なはずのサブシステム間で「不気味な遠隔作用」が頻発する^[10]。実際、生命維持の故障は宇宙機内をさまよい歩き、最もかけがえのないものを狙って壊す傾向がある。

スペアパーツで宇宙機を埋め尽くして力ずくで解決することもできない。ある部品を損傷させるのと同じシステム的な相互作用が、交換部品をいくつ用意しても食い尽くしてしまう。複雑な設計は独立した故障率を持つ隔離されたサブシステムに分割できるという信頼性工学の大原則が、再生型生命維持では成り立たないのだ。

生命維持装置を検証するために長期間かつ高額な試験飛行が必要になることは、設計段階における別の種類のリスク回避を生む。試作機を何年も宇宙で飛ばさなければならないとなれば、生命維持の設計は「かろうじて十分」と言えるレベルに達した時点で凍結せざるを得なくなり、後になってどんな革新が生まれても宇宙機には搭載されなくなる。

これはスペースシャトルを苦しめたのと同じ力学だ。画期的だった初期設計の改修コストがあまりに高かったため、基盤技術は試作段階のまま30年間凍結された。その間、私たちはより優れたスペースプレーンの作り方について何も学べないまま、最初の実用試作機の継ぎ当てに何十年と数十億ドルを費やした。

こうした慎重さは、近年SpaceXが驚くほど成功させてきた開発戦略――「頻繁に飛ばし、あらゆることを試す」アプローチ――とは真逆のものだ。十分なハードウェアを手に、SpaceXはStarshipの試験ごとに大胆な設計変更を厭わず、急速な反復によって技術水準を目覚ましい速さで前進させている。

だが、この「ヤセミテ・サム」式の試験アプローチは火星では通用しない。SpaceXの技術者がStarship打ち上げ後に必要なデータ収集を終えるのに数時間しかかからないのに対し、火星行きシステムの試験運用は数年単位で続く。必然的に、開発プログラムはNASAそっくりなものになる。長期間にわたる入念な分析と、めったにない法外に高価な試験飛行の繰り返しだ。

III. 自律性

自律性はNASAにとって異質な概念だ。最初のマーキュリー宇宙飛行士が管制官に排尿の許可を懇願しなければならなかった（その要請はヴェルナー・フォン・ブラウンまで報告された）時から、NASAは宇宙飛行士を地上からマイクロマネジメントしてきた。

今日に至るまで、ミッションはテストパイロットのパラダイムに従っており、乗組員は数か月から数年前に用意された詳細なチェックリストに従って作業する。宇宙ステーションでは、それはノートパソコンの画面上で赤い縦線を横切って進む色付きのスケジュールという形をとり、宇宙飛行士は動く色付きの箱に遅れずについていくことが求められる。ステーションでの日常業務のほとんど（水の汲み上げや排熱の管理など）は地上の専門チームに委ねられており、乗組員の目にすら触れない。

フリーダム7号に搭乗するアラン・シェパード。とにかくトイレに行きたいと訴えている。

だが火星行きの宇宙機が地球から遠ざかるにつれて、地上管制との往復通信遅延は最大43分まで膨らみ、太陽が2つの惑星の間に直接入る際には1週間以上にわたる通信途絶が起こる。この物理的な制約により、乗組員は地上の支援なしに宇宙機のあらゆるシステムを完全に制御できなければならない。

自律性は良いことのように聞こえる！ 誰が政府の官僚に宇宙飛行士の時間の使い方を決めてほしいだろうか？ だが地上主導のパラダイムにも利点はある。とりわけワークロードを抑えられる点だ。ISSは数百人規模のスタッフによって運用されており、彼らは1日あたり約5万件のコマンドをステーションに送っている。搭乗する7人の宇宙飛行士は最後の手段としてのみ呼び出されるが、それでも彼らへの要求は大きく、ステーションは科学ミッションの遂行に苦労してきた^[11]。

NASAの後部座席運転の利点の一つは、緊急時に乗組員が地球上の専門家から無制限にリアルタイムの支援を受けられることだ。その最も鮮烈な例がアポロ13号で、酸素タンクが飛行開始から56時間後にサービスモジュールで破裂した。乗組員と管制官が事態を把握するのに1時間近くかかり、その時点で宇宙機を地球帰還能力を保ったまま電源を落とすための時間はわずかしか残されていなかった。

その最初の1時間の記録は、乗組員と地上が何が起きているのかを把握し、対応の優先順位を決めるのがいかに困難だったかを示している。アポロ13号の乗組員に何の非難も向けるつもりはないが、火星のような通信遅延があれば彼らは生き延びられなかっただろうと言わざるを得ない。

そしてこのミッションは地上管制がアポロの乗組員を支えた最も有名な例ではあるが、アポロ計画では地上からのタイムリーな支援が深刻なトラブルを回避したケースが少なくとも他に5件ある。

• アポロ12号は打ち上げ直後に2度落雷を受け、電気系統が混乱し、司令船は警告灯で埋め尽くされた。管制官のジョン・アーロンは不可解なエラー表示のパターンを見抜き、乗組員に分かりにくいスイッチを切り替えるよう指示して表示を正常に戻し、NASAの伝説となった。
• アポロ14号では、月着陸船の降下レーダーが正常にロックオンできず、誤った距離データを返した。地上管制からの的確な指示（パイロットにブレーカーをリセットするよう伝えた）がなければ、着陸は中止になっていた可能性が高い。
• アポロ15号では、乗組員が深刻化しかねない水漏れの封じ込めに苦労した。15分後、地上の技術者たちは打ち上げ前の塩素注入バルブのトラブルに原因を突き止め、問題を解決する手順を送ることができた。
• 同じくアポロ15号では、スイッチ内に浮遊していた小さな金属片が原因で、月着陸船のエンジンに断続的にアボート信号が送られた。その信号を抑えて月着陸船を安全に降下させるには、現代のソフトウェア開発者なら誰もが身の毛がよだつような方法で船載コンピュータを再プログラミングする必要があった。
• アポロ16号では、月周回軌道上でサービスモジュールのサーボモーター2つが故障した。飛行規則上はアボートすべき状況だったが、司令船パイロットとの対話的なデバッグの末、地上管制は着陸を続行しても安全と判断できる回避策を見つけた。

これらの出来事は際立っているが、アポロの記録には乗組員と地上が緊密に連携して問題を乗り越えた無数の他の例が残されている。こうしたリアルタイムの支援を失うことは、火星へ向かう宇宙飛行士にとって真のリスク増大要因となる。

IV. 分析

ISSが地球に依存しているもう一つの側面は、空気や水のサンプルに対する実験室分析だ。サンプルは定期的に採取され、帰還するカプセルごとに地上へ送られる。ステーション自体で実行できる検査は初歩的なもので、微生物や汚染物質の存在を乗組員に知らせることはできても、根本原因を突き止めるための詳細な情報は得られない。

火星では、この分析能力を宇宙機内に移さなければならない。実質的に、これは一種の「宇宙版セラノス」、修理や較正を必要とせずに宇宙で生化学分析を自動で実行できるブラックボックスを作ることを意味する。そのような装置は地球上のどこにも存在しないが、火星ミッションではそれが2種類必要になる――無重力用と、火星の重力用だ^[12]。

このブラックボックスは、火星計画によく登場するあるカテゴリーのハードウェアに属する。もし地球上に存在すれば数十億ドル規模の産業になるような技術だが、火星行き宇宙機に搭載する段になれば簡単に発明できるものと想定されている^[13]。

火星推進派の中には、これらの技術を火星に行くことが人類にもたらす恩恵の例として挙げる人さえいる。だがこれは完全に因果が逆だ。地球で難しい問題は、宇宙に打ち上げたからといって簡単にはならない。そして存在しない技術が火星へのクリティカルパスにあることは、そこへ行くべき理由にはならない。

V. 自動化

乗組員の一部が行動不能になり、地球との通信がない状況でも宇宙機を運用できなければならないという要件は、ISS並みのワークロードを2〜3人の宇宙飛行士で回せるレベルまで自動化しなければならないことを意味する。

宇宙飛行士アレクサンダー・ゲルスト（右）と、NASAの600万ドルのAIチャットボット「CIMON」とのやり取り

自動化とはすなわちソフトウェアであり、しかも大量のソフトウェアだ。火星行き宇宙機のシステムを自動化することは、旅客機の自動操縦を拡張して空港の売店や手荷物受取所、航空会社の年金制度まで運営させようとするような途方もない作業になる。結果として生まれるのは、ISSのような、異なるレベルの厳密さでテストされたソフトウェアが数百のプロセッサにまたがって動く寄せ集めになる可能性が高い。しかもこのハードウェアはISSのシステムよりもはるかに過酷な放射線環境にさらされ、ソフトウェアの設計と統合はとりわけ困難な課題となる。

自動化の問題の特殊なケースは、長期滞在ミッションで生じる。乗組員が火星表面にいる1年半の間、周回する宇宙機がカビや菌類、そして宇宙アライグマに侵されないようにしておかなければならないのだ。別荘を持つ人なら誰でも知っているように、この問題――火星文献では「休眠（quiescence）」と呼ばれる――は地球でもすでに解決が難しい。

慎重に管理しなければ、自動化、複雑性、信頼性の相互作用は病的なスパイラルに陥りかねない。システムにソフトウェアを追加すれば複雑さが増す。複雑なシステムが信頼性を保つには、個々のコンポーネントが故障しても全体が機能し続けるよう、優雅に縮退（グレースフル・デグラデーション）できなければならない。だがこうした縮退モードや、それらの予期せぬ相互作用自体が新たな複雑さを生み、それをまたソフトウェアで管理しなければならなくなる、といった具合だ。

結局のところ、自動化は実際に火星へ行く前にフルスケールの模擬ミッションを実施すべき別の、そして独立した理由をもたらす。このレベルの複雑さを持つシステムでは、バグが多すぎて、そのすべてを最初の火星行き乗組員に発見させるわけにはいかないのだ。

影響

私が概説した自律性、信頼性、自動化に関する極端な要件は、深宇宙探査機の設計者にとっては今さらの話だ。太陽系には打ち上げから数十年経っても静かにビープ音を発し続けているハードウェアが満ちており、最も壮観な例は46歳になるボイジャー探査機だ。

だが、深宇宙探査機に大型霊長類の入った箱を取り付け、生きたまま、幸せに、そして「NASAが自分たちを広大な虚空に死にに行かせた」などとツイートさせないように保とうとした者は誰もいない。火星行き宇宙機は、人類がこれまでに作った中で最も複雑な人工物となり、これまでのどんな宇宙探査機よりも約100倍大きく、その内部にはソフトウェア、ハードウェア、細菌、真菌、宇宙飛行士、そして（ミッションの半分では）乗組員が宇宙機内に持ち込むあらゆるものが密接に結びついたシステムが収まることになる。

そのような機械を設計するとは、人間の能力のぎりぎりの領域にあるもの（惑星間探査機の建造）と、地球上でさえまだ実現できていないこと（6〜8人の人間を再生型生命維持で何年も生かし続けること）^[14]を組み合わせることを意味する。

私の主張は、これが不可能だということではなく、迅速には不可能だということだ。火星への準備は、反復的で終わりの見えない取り組みとなり、テストの各ラウンドが何年もの時間と宇宙予算の大部分を食い潰す。それはアルテミスやISS以前と同様だ。火星計画の最初の10年間は、過去40年間の宇宙飛行と見分けがつかないものになるだろう――軌道上での反復的な長期ミッションの連続だ。NASAが変える必要があるのはプログラム名だけだ。

これは億万長者の道楽に委任できるような問題でもない。ロケットに誰のロゴが入っていようと、生命維持は厄介な仕事であり続ける。空がStarshipで埋め尽くされようとも、私たちはどこへも行かない多年にわたるハードウェアとソフトウェアの総合試験に依然として縛られるのだ。

私たちが生きている間に火星を探査する唯一の方法は、機械に人間を同行させなければならないという要件を捨てることだ。

軌道プロファイルの選択

だが私たちはどうしても火星に行くと決めているのだから、2つのプロファイルのうちどちらが優れているのだろうか？

探査という観点からは、長期滞在型だけが理にかなうという点で誰もが一致している。移動時間に全体の95%を費やして、目的地で慌ただしい数週間を過ごすだけでは意味がない。

だが乗組員を生きたまま帰還させることだけが目的の初期ミッションでは、選択は厄介だ。

長期滞在型

長期滞在型の利点はシンプルさにある。ロケットで火星まで飛び、惑星が再び並ぶまで17か月待ち、同じ軌道で帰ってくる。往復の各航行はISSでの滞在期間とほぼ同じ長さで、より多くの燃料を燃やすことで飛行時間を微調整することも可能だ（ただし、その分乗組員は火星での滞在を長くして帳尻を合わせなければならない）。

ミッションの全期間を通じて、宇宙機は太陽から1天文単位（AU）から1.5 AUの間に留まる。これにより熱設計や太陽電池パネルの設計が単純になり、太陽嵐による乗組員へのリスクも大幅に低減される。

だが火星での膨大な時間をどう過ごすかという問題は悩ましい。500日というのは、ナイトライフや大気のある場所でさえ、最初の滞在としては長い。そして後述するように、周回ミッションはおそらく選択肢にならない。最初の訪問で乗組員が火星に降りて生活しなければならないという要件は、リスクのレベルを enormously 引き上げる。

短期滞在型

短期滞在型の魅力はその名の通りだ。火星に長居して税金の申告までしなければならないほど滞在する代わりに、最初の到着者は旗を立て、はしごの脇にある一番近い石を拾い、そしてとっとと退散できる。あるいは着陸自体をスキップし、最初の飛行を純粋に周回ミッションにすることもできる。それは、不可能を一度にではなく順番に試みるという航空宇宙工学の伝統に則ったものだ。

だが短期滞在型の問題はその帰路にある。帰還軌道は金星の軌道の内側深くまで切り込み、宇宙機の設計を複雑にし、近日点付近の数週間に乗組員が命を落とす壮絶な方法を増やす。その旅程の大部分で、宇宙機は太陽の向こう側にあり、地球との通信を妨げ、太陽嵐の警告も乗組員には届かない。

そしてその乗組員は2年連続で深宇宙で過ごさなければならず、宇宙飛行士の健康に対する最大の既知のリスクである放射線と微小重力への曝露を最大化することになる。

短期滞在型はまた、より多くの推進薬を必要とし、年によっては法外な量になる。もし火星でのリスクを軽減するための戦略として、会合周期ごとに乗組員を打ち上げ、常に潜在的な救援者が火星へ向かっている状態を維持するのであれば、これは問題になる。

将来の打ち上げ日における短期滞在ミッションと長期滞在ミッションのデルタV要件の比較。推進薬の必要量はデルタVに対して指数関数的に増加するため、2041年のミッションでは2033年のミッションの5倍の推進薬が必要になる。出典“

周回か着陸か？

プロファイルを選んだら、次に決めるべきは宇宙機を着陸させるかどうかだ。

もちろん、いつかは乗組員を着陸させなければならない。そうしなければ、他の宇宙計画から馬鹿にされ、議会の公聴会では痛烈な皮肉を浴びせられることになる。

だが火星への旅を生き延びるには、一連の無関係な問題（到着、突入、着陸、地表活動、上昇、ランデブー）を連続して解決しなければならないため、最初のミッションを周回飛行とすることで問題を半分に切り分けるという考え方もある。これはアポロ計画が、実用的な月着陸船が存在しない段階で最初の乗組員を月の周回飛行させたアプローチだ。

最初のミッションで着陸船を運ぶ必要がなければ、その分スペアパーツや消耗品を積む余裕が生まれ、乗組員の安全マージンが向上する。また、エンジニアは突入、着陸、休眠、上昇という難問に取り組む時間を稼ぐことができ、プログラム全体の足を引っ張ることもない。

だが周回ミッションに反対する強力な論拠もある。火星へ行くリスクの多くは単に時間の関数なのだから、なぜ必要以上に賭けを重ねるのか？ そして莫大な費用と乗組員への身体的負担を考えれば、着陸を試みないことをどう正当化するのか？ ディズニーランドまで車で行き、駐車場でUターンして「これで来年の本番の予行はできた」と家族に告げるようなものだ。後部座席からは怒りの蹴りが飛び、反乱が起きるだろう。

NASAはどちらの選択肢を選ぶかについて何年も煮え切らない態度を取ってきた。2009年の設計参照アーキテクチャでは、長期滞在軌道で4名の乗組員を送る案が支持された。より最近の計画では、4名の乗組員のうち2名が着陸を試みる、短期滞在型の切り詰めたミッションが想定されている。

一方イーロン・マスクは、問題を段階的に解決することを提案している。まず志願者を送って火星に入植させ、帰還方法は後で考えるというものだ^[15]。

選択を真に難しくしているのは、2つの重要な問いに対する答えが欠けていることだ。

1. 人体は部分重力にどう反応するか？

数十年にわたる宇宙滞在により、長期間の無重力状態が宇宙飛行士に何をもたらし、地球帰還後にどのように回復するかについてはかなり分かってきた。だが部分重力、すなわち月（0.16 G）や火星（0.38 G）で何が起こるかについてはまったく分かっていない。特に、火星の重力が無重力で観察される退行性の過程を止めたり遅らせたりするのに十分な強さなのかどうかが不明だ^[16]。

この問いへの答えが、宇宙機を回転させるかどうかという重要な決定を左右する。後述するように、人工重力を作るために宇宙機を回転させるのは enormously 面倒なことだが、それを回避できるかどうかは、部分重力における長期間滞在の未解明な影響にかかっている^[17]。

2. 銀河宇宙線の重イオン成分が乗組員にもたらすリスクはどれほどか？

宇宙の放射線には多くの種類があるが、そのほとんどは地球上での類似物を通じてよく理解されている。

しかし低線量の重イオン放射線は異なる。地球上では粒子加速器の外には存在せず、低軌道では磁気圏と地球本体の両方が、自由空間で浴びるはずの放射線束の大部分から宇宙飛行士を遮蔽してしまうため、研究が難しい。

重イオン放射線は、組織への放射線損傷の標準モデルでは捉えきれない生物学的影響を持つ。特に、非標的効果（NTE）と呼ばれる一連の現象は、放射線の飛跡から遠く離れた細胞にまで損傷を与えることが知られている。これは、隣人が車に轢かれたせいで自分が入院するような奇妙な効果だ。NTEは細胞内のエピジェネティックなシグナル伝達機構を撹乱すると考えられているが、その現象は十分に解明されていない。

低線量重イオン放射線の影響に関する不確実性は、放射線リスクに関する最良の推定値を少なくとも2倍に広げる^[18]。推定の下限では、これらの影響は単なる好奇の対象に過ぎず、火星ミッションは従来の放射線被ばくモデルを使って計画できる。推定の上限では、長期間の周回ミッションは生存不可能かもしれず、火星表面の宇宙飛行士は洞窟に住むか、居住施設を何メートルもの土で覆わなければならなくなる。

銀河宇宙線に1年間曝露した後の腫瘍発生率の予測。下側の実線は標準的な放射線モデル（TE）を示す。点線は異なる仮定の下での非標的効果（NTE）の影響を示す。遮蔽なしの場合、予測される腫瘍発生率に約3倍の不確実性があることに注目。出典

この生物学的影響に関する不確実性により、放射線は火星行き乗組員が直面する最大の未解明の既知リスクとなっており、それはミッション設計のあらゆる側面に影響を及ぼす。

火星へ行く際の3つの主要なリスク要因を1つの大きな表にまとめると分かりやすい。

これらの表のグレー部分は、火星への行き方を決める前に埋めなければならない知識の空白を表している。

この予備的な医学研究にどれくらいかかるかは誰にも分からないが、少なくともミッション全体の期間の数倍はかかるはずだ。特に部分重力の研究は厄介だ。月（火星の重力の42%）で実験して結果が火星にも当てはまると期待するか、あるいは宇宙に回転構造物を建造してより精密な試験を行うかだ。

放射線影響の研究とは、動物を数年間磁気圏の外で飛ばし、その後腫瘍ができるかどうかを観察することを意味する。これも（放射線に関する知らせがよほど悪くない限り）時間がかかることになる。

ソフトウェア工学には「ヤクの毛刈り（yak shaving）」という便利な概念がある。プロジェクトを始めようとすると、まずツールを準備しなければならず、そのためには開発環境を再設定しなければならず、そのためにはソフトウェアを更新しなければならず、そのためには長く使っていなかったパスワードを探さなければならず、気がつけば六角レンチを手に机の下にもぐり込んでいる、という具合だ（テレビ番組『マルコム in the Middle』には、家の修理という文脈でのヤクの毛刈りの見事な描写がある）。

同じ現象が火星へ行こうとする私たちをも悩ませる。十分なロケットと資金があれば探検家は宇宙船に乗り込んで出発できるというものなら話は別だが、常に必要な前提条件の連鎖が立ちはだかる。私たちは宇宙船の側面に『目的地：火星！』と描き、そして10年後には気づけば低軌道でマウスを遠心分離しているのだ。気が滅入る話だ。

「とにかく作ればいい」と言って、こうした研究や試験のすべてを臆病で不要なものとして退ける誘惑にかられる。だがそれは、火星における最大のリスク要因を無視することを意味する。完全を期すために、ここに含めておこう。

火星への旅はあまりに困難であるため、既知のリスクを無視する贅沢は許されない。私たちは、まだ何を心配すべきかさえ分かっていない事柄のために、リスク予算にできる限りの余裕を残しておく必要があるのだ。

私の目的は、大切にされてきた夢を潰すことではなく、火星着陸にコミットすることが何を意味するのかについて、より現実的な見方へと人々を促すこと、とりわけ機会費用という観点から火星行きを考えてもらうことだ。

近年、宇宙探査には顕著な分断がある。分断の一方には、キュリオシティ、ジェイムズ・ウェッブ、ガイア、ユークリッドのような、日々新たな発見をもたらしているミッションがある。これらのプロジェクトは明確な目標を持ち、目覚ましい発見の実績を誇る。

分断のもう一方には、国際宇宙ステーションと、アメリカ人を月へ帰還させようとする20年越しの取り組みがある。これらのプロジェクトは宇宙における人間のプレゼンスを維持すること自体以外に目的がなく、国の宇宙予算の半分を食い潰しながら、何の成果も出していない。火星どころか――私たちは今日、1965年当時よりも月着陸から遠ざかっているのだ。

火星へ行くにあたって、私たちはこの収支のどちら側に立つかを選択できる。ロボットで火星を積極的に探査し、自動化とソフトウェアにおける進行中の革命の恩恵を受けて、生命が存在する可能性が最も高い場所へますます高性能なミッションを打ち上げることもできる。

あるいは、40年間乗り続けてきたトレッドミルの上に留まり、火星で最も安全な一片の土地に人類を着陸させる能力をゆっくりと築き上げ、そこに銘板と旗を残すこともできる。だが両方を同時に行うことはできない。

次回：眼と骨

脚注

[1] ジョン・アーロンとの2000年のオーラルヒストリーからの引用。

[2] 初期の例として、1928年のScientific American誌の記事「Can we go to Mars?」を参照。推進手段については当然ながら曖昧だが、NASAの2009年版設計参照アーキテクチャと大差ない合クラスの周回ミッションが記述されている。

[3] ヴァレリー・ポリャコフが1995年に着陸した宇宙飛行で437日間の記録を樹立。国際宇宙ステーションは2002年11月25日から2003年4月2日まで補給なしで運用された。低軌道を離れたアポロ計画は9回あり、そのうち最長のもの（アポロ17号）は12.4日間であった。

[4] サターンVは火星フライバイ軌道に約20トンを打ち上げる能力があった。NASAは1967年にそのようなミッション（サターンV 4機を要する）の予備的計画を実施した。

[5] 1987年、サリー・ライドが委員長を務めたチームが「スプリット／スプリント」ミッション方式を提案した。これはおそらく火星へ行く最良の方法である。この方式では、低速のタンカーが火星周回軌道に極低温推進薬のデポを事前に配置し、次の会合周期に有人ミッション（「スプリント」部分）が火星に短期間着陸し、周回するデポから燃料補給して400日以内に帰還する。このミッションには大型打ち上げ約15回と、2つの未実現技術が必要となる。宇宙空間での液体水素の長期保存と、宇宙空間での宇宙機間での液体水素の移送である（興味深いことに、この2つの技術はいずれもBlue Originの月着陸船計画の一部でもある）。火星へ速く行くもう一つの方法は、核熱ロケットを使うことだ。核熱ロケットは単に高温の水素を一端から噴射する原子炉である。核熱ロケットの設計は化学ロケットの約2倍の効率を持ち、より高いデルタV要件を持つミッションの飛行を可能にする。

[6] アポロのアボート方式に関する包括的な議論については、1972年 アポロ経験報告書 - アボート計画を参照。

[7] 考えられる火星アボート方式については、有人火星ミッションのための地球-火星間アボート解析で読むことができる。そもそも2年かかるアボート手段が役立つ故障シナリオとは何なのかは、興味深い哲学的問いである。

[8] これらのシナリオを自分で試してみたい人のために、小さなPythonスクリプトを用意した。

[9] ISSの生命維持装置は「軌道上交換ユニット（ORU）」と呼ばれるコンポーネントにまとめられている。場合によっては、その中の小さなセンサーが故障しただけで、数百キログラムもあるアセンブリ全体を打ち上げなければならない。以下は2023年（暦年）に交換されたORUの部分的リストである（出典）：

• ノード3の熱交換器
• 共通キャビン空気アセンブリの水分離器
• ノード3の水分離器
• 共通キャビン空気アセンブリ水分離器の液体逆止弁
• ステーション全域のチャコールフィルター21個
• ノード3のHEPAフィルター
• 二酸化炭素除去装置の送風機（2回、最初の交換品は故障）
• ノード3のサンプル分配アセンブリ
• 質量分析計アセンブリ
• 多段ろ過ベッド
• 酸素生成装置のポンプ

[10] 宇宙ステーション初期の尿再生処理装置は、宇宙飛行士の溶解した骨から生じたカルシウム結晶で詰まり故障した。これは無重力の影響であり、設計時に適切に考慮されていなかった出典。

[11] 1日5万件というコマンド数は、宇宙ステーション運用の詳細な入門書である『ISS：新フロンティアにおける前哨基地の運用』からのものである。ISSの利用率は近年向上しているが、依然として週80時間未満――常勤2人分に相当――にとどまっている。7名の乗組員は起きている時間のほとんどを、義務的な運動、ハウスキーピング、ステーションの修理に費やしている。

[12] 宇宙にある既存の装置は通常、10〜20物質のターゲットリストにある化学物質を識別するように設定されており、任意の化合物を識別するよりはるかに容易な作業である。後者の最先端については、宇宙機水質不純物モニタの有機・無機モジュールの進捗、有人機用次世代完全水分析システム（ICES-2023-110）を参照。

[13] その他の魔法の火星技術の例としては、漏れない宇宙服のシール、水を使わない洗濯機、バイオフィルムを防ぐコーティング、常温で何年も保存できる栄養完全食、CO2を数百トンのメタンに変換する自律型太陽光発電工場などが挙げられる。

[14] 閉鎖系生命維持の耐久記録はバイオスフィア2が保持しており、建材との予期せぬ相互作用により酸素が危険なレベルまで低下するまで、乗組員を17か月間生存させた。

[15] Starshipと火星に関わる計画は、ロケットが再打ち上げできるよう火星表面で数百トンの推進薬を製造できるかどうかにかかっている。マスクやSpaceXからの詳細がない中で、詳細な計画に最も近いものはNature誌のこの分析である。

[16] 私たちが知る限り、「デコンディショニング」と総称される一連の問題は、部分重力下で悪化する可能性もある。これは私たちの直感に反するが、宇宙ではこれまでにもっと大きな驚きがあった。

[17] 部分重力の影響に左右されるもう一つの決定は、スペースと質量が貴重な火星表面の居住施設に、大型の運動器具を含めるかどうかである。