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July 08, 2005

僕の宇宙船 遠乗り

ss006「僕の宇宙船」では、最初として地球周回軌道を実現する最小限のシステムを考えた。だから、始めは地球周回の短期間の飛行だけだ。だが、宇宙は、果てしなく広く、地球周回は宇宙の入り口に過ぎない。バイクや自動車で言えば、地球周回は、ちょっと近所を走って居るにようなものだ。近場を走るのに飽きたら、遠乗り、つまりツーリングに出掛けよう。

さて、地球周回の次の目標となると、普通は、宇宙ステーションのように長期滞在をするか、そうでなければ月か火星だろう。だが、目的も無く同じ場所をグルグル回って居るのも面白くない。その上、地球周回には、役に立つ資源も生命維持に必要な空気も食べ物も水も無いから、定期的に地球から運ばなければならない。

月や火星への着陸も、そんなに魅力を感じない。地球外生命でも居るのなら話は別だが、わざわざ、岩だらけの荒れ地に降りる必要は無い。そもそも、苦労して、やっと地球の引力圏を脱出したのに、なぜまた、月や火星の重力の底に降りる必要があるのか? 一度降りたら、また上がって来るのは大変だ。できれば宇宙に浮かんだままの方が、さらに次の場所へ行くのに都合が良い。

では、何処か良いところは無いかというと、木星の衛星、イオ、ガニメデ、エウロパ、カリストや、土星のタイタン辺りだ。そこまで行けば、火山やら水があるくらいだから、何か居そうだし、もっと遠くの彗星の巣(本当に巣があるとは思えないが・・)なども生命の発祥説もあるくらいだから、行って見る価値がありそうだ。それで足りないのなら、いっそ、恒星間を越えたい。

だが、いきなり、そんな遠くへ行くのも難しいので、もう少し近場で良い場所が無いか。地球から比較的近くで、重力の底に降りることも無く、また、地球から物資の補給を受けなくても自給自足できるような、そんな都合の良い場所を探した。

結構、長い間考えて居たら、小惑星があることに気が付いた。

小惑星と言うのは、地球や火星と言った九つの惑星ほど大きくないが、惑星と同じに太陽の回りを回る文字通り「小さな」惑星だ。その大きさは、岩程度のものから、百キロメートル程まで様々だ。場所としては、火星と木星の間の軌道、いわゆる小惑星帯に沢山あるのだが、それ以外の場所にも在る。
小惑星と言うとイメージするとは、ガチガチの岩石とか隕石だろう。実際、地球の近くにある小惑星は、岩石のような状態だ。これでは、金属資源はあるかもしれないが、水や食べ物になりそうなものは期待できない。とてもじゃ無いが、自給自足など無理そうだ。

ところが、元々は、地球でも月でも小惑星でも、太陽系にある惑星や衛星の組成は同じようなものだそうだ。だから、大昔、太陽系ができた当初は、月や火星、小惑星にも、地球と同じ程度の割合で水や炭素があったそうだ。でも、長い間、太陽の強烈な光と熱を受けて、中に含まれた水分は蒸発し、宇宙にと拡散した。炭素も同じように無くなったそうだ。
地球は、強力な引力で、水分や炭素(多くは二酸化炭素と言う形で)をつなぎ止めているが、月や火星では引力も少なく、水分も炭素も無くなった。(月や火星に水分などが残っているか、どうかは常に議論の対象になるが)
月や火星よりも更に引力の小さい小惑星では、当然、水も炭素も無くなっている。

だが、この話、あくまで、「太陽に近く、光や熱を多く受ける」軌道だけの話。太陽から離れ、受ける光や熱が少なくなると、水分は蒸発せずに残っている。例えば、木星の衛星のガニメデやエウロパなどは、火星よりも引力が少ないのに、水が大量に残っている。また、ハレー彗星のように、ほとんどの時間太陽から離れた場所に居て、たまに太陽に近づく彗星の核にも水分が多く残って居ることも良く知られて居る。

計算上、太陽から6億キロメートル以上離れた場所なら、水分が蒸発せずに残るそうだ。ちなみに、地球は太陽から1億5千万キロメートルの距離にあり、火星は2億3千万キロメートルの距離で、それより、ずっと近い。それに対して、木星は7億8千万キロメートルの距離だ。だから、木星の衛星のガニメデやエウロパに水が残って居て当然だ。

肝心の小惑星が、どうだと言うと、ちょうど、太陽から6億キロメートルの距離が小惑星帯だ。だから、小惑星帯には、水分と、ついでに炭素を豊富に含んだ小惑星が山ほどある。
だが、6億キロメートルと言うと、ちょっと遠い。火星より木星に近いくらいだから、行くのは大変だ。
そう思って居たら、水分を含んだ小惑星は、もっと近く、太陽から3億8千万キロメートルあたりから、数は少ないが存在すると、話に聞いた。

先程の「太陽から6億キロメートル以上離れれば、水分が残っている」と言う話と矛盾しそうだが、そうでは無い。こう言った小惑星は、元々は太陽から6億キロメートル以上離れた軌道を回って居た。しかし、地球のような大きな惑星と違い、小惑星の軌道は安定して居ない。木星などの大きな惑星の引力で軌道が落ちて来たらしい。
だから、このような惑星は、いずれは太陽の光と熱で水分は蒸発して無くなってしまうのだが、最近、遠くの軌道から落ちて来たばかりなので、まだ、水分が乾き切って居ないのだ。もちろん、宇宙の話のことだから、「最近」とは言っても、何百年とか何千年、もしかしたら何万年前の事だろうが。
いずれ、水分は蒸発して無くなるとは言え、しばらくの間は大丈夫だ。だから、ここに自給自足できる「宇宙基地」を作ってしまう。

ざっと計算すると、太陽から3億8千万キロメートルに行くのに必要な宇宙船の性能は、火星に行って着陸するのと同じ程度だ。むしろ、火星のように大きな引力に逆らって離着陸する必要が無い分、楽かもしれない。その代り、時間はかかる。流石に遠いので、往復に3年以上必要だ。ちなみに火星なら、2年強だ。

結構、手頃な距離に良い物件(?)がある事に気付いたのだが、逆に気になった。アメリカ等の宇宙大国が、何故、こう言った小惑星を狙わずに、火星着陸を目標にしているのだろうか?
単に、小惑星の方が遠いから、難しいと思って居るだけか、それとも小惑星には私が気付いて居ない致命的な欠陥があるのか?

と、色々、考えて居たら、次のような考えに思い当たった。
「アメリカは、大昔の大航海時代の新大陸発見と同じ事を宇宙に当てはめようとしている」
つまり、アメリカが欲しいのは、「大陸」であって、「島」じゃないのだ。月とか火星の表面積を調べてみると、月はアフリカ大陸より少し大きく、火星は地球の全大陸の合計に匹敵する。だから、月とか火星とかへの着陸は「新大陸発見」に匹敵する。
それに比べて、小惑星の大きさは百キロメートル程度が最大だから、「島」だ。だが、小惑星を単純な球体だとすると、直径90キロメートルの小惑星の表面積は、日本全土の面積に匹敵する。本州だけなら直径76キロメートル、北海道は54キロメートル、九州42キロメートル、四国33キロメートルだ。
島国の日本に生まれ育った私に取って、直径100キロメートルの小惑星で十分だ。むしろ、もう少し小さく、四国や九州程度でも十分なくらいである。
まあ、小惑星の形状が「球体」と言う計算の前提も現実に合わないし、実際に小惑星に住むとなったら、表面に住むのではなく、穴を掘って中に住むことになるだろうから、話半分に聞いてもらいたい。そもそも、「アメリカが、島ではなく大陸を目指す」と言うのは、あくまで私の憶測だから、いい加減な話である。

とにかく、「僕の宇宙船」の、次なる目標は「水のある小惑星」に決めた。次回以降は、どうやって小惑星に行くか、滞在するか、帰って来るかを、何回かに分けて、お話する。

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Comments

初めまして、毎回、興味深く読ませて頂いております。化学(高分子)屋で、西田仁と申します。

小惑星をターゲット(というか足がかり)とする戦略、フリーマン・ダイソンが、その著書、『宇宙をかき乱すべきか』で、まさに述べておりました。かの書では、予算の見積もり、過去の植民事業との比較もなされておりました。

既に、ご存じであれば、ご容赦を。

Posted by: 西田 | July 09, 2005 11:08 AM

 火星の水資源は「ある」が定説で、ほとんど議論の余地なしと認識していますが、違うんでしょうか。
 また、フォボスにも多量の水資源があるといわれています。地球からホーマン遷移&火星大気制動&フォボス着陸、で検討してみては。たぶん静止衛星と大差ないデルタVになると思います。

Posted by: 野尻抱介 | July 09, 2005 08:30 PM

野尻さんからフォボスの話が出たので、一つコメントさせて下さい。今日、偶然にも私のブログに、『フォボス探査計画』をアップしたのですが、その時のΔV計算の情報を記します。火星遷移軌道に乗った宇宙機がフォボスと同じ軌道に入るには、火星の大気を使わずに約1.6km/sでOK。一方、火星が存在せず、フォボスが単独で小惑星のように太陽の周りを公転している場合を考えると、その仮想フォボスとランデブするのに、遷移軌道の後に約2.6km/sが必要です。つまり、火星重力の存在により、片道で約1km/sの節約ができます。

Posted by: 歌島昌由 | July 10, 2005 10:36 PM

火星の極冠に氷の霜が観測されてる
http://contest.thinkquest.jp/tqj1999/20189/section1/mars.html
のですから、水の存在は問題ないですね。
それが使えるかどうかは知らないけど。

Posted by: 広田正夫 | July 11, 2005 12:55 PM

西田さん、フリーマン・ダイソンの、『宇宙をかき乱すべきか』については、恥ずかしながら、知りませんでした。小惑星を足掛かりにすることは、自分で思いついたのですが、結局、ダイソンの後追いですね。まあ、同じ事を思い付いていたのが、ダイソンなら、光栄の至りです。
まずは、ダイソンの、『宇宙をかき乱すべきか』を入手しようとしている最中です。
どちらにしても、勉強不足は否めません。西田さん、ご指摘、有り難うございます。

フォボスについては、歌島さんが、既にコメントしていますが、増速量については、静止軌道投入のためのトランスファー軌道から、「地球のペリジで1km/sを噴き、火星へ向かう。火星の周回軌道に入るために1.6km/sで減速」が必要です。
合計、2.6km/sが必要で、それに対して、静止軌道の場合は、アポジキックに1.6km/sなので、差は1km/s。この1km/sを「静止衛星と大差ない」と見るか、大きいと見るかは微妙ですね。
歌島さんの話の中で面白いのは、「一方、火星が存在せず、・・・」のところです。火星に近付くと速度が上がります。そこで、減速をすると、燃料が得なのです。
ちょっと、誤解しそうなのが、火星から離れたほうが良いように思いますが、逆に火星に近い方が有利になるのです。むかしから「面内制御は低いところで、面外制御は高いところで」と言いますが、その通りです。

火星の水
「火星に水分が在るか?無いか?」の論争では、現在、「在る派」が優勢なのは確かです。広田さんの指摘の通り、極冠には、水が凍った「霜」があることが観測されているので、「火星に水分が在る」のは、かなり確度が高いようです。ただ、仮に「火星に水分が在る」としても、資源として使い物になる形で存在するかも不明です。例えば、「極端に量が少ない」とか「地面を何千メートルも掘らないと水がでない」とかの可能性も在る訳です。そう言った意味で、「両論並記」的に書きました。(とは言え、私の書き方は、「両論並記」とは言っても「火星に水は無いだろう、在っても使い物にならなく位少ないのでは・・」寄りですが・・)

どちらにしても、私は、この分野の専門家では無いので、詳細に立ち入った事は言えないので、ちょっと有耶無耶な書き方をしました。
困った時は、助けを呼んだら、来てくれるかも? 
「こうなったらナルナルさんとこの探検隊を呼ばなあかん! ナルナル探検た~い」

Posted by: 野田篤司 | July 12, 2005 07:29 AM

 私の感覚だと、1km/sのデルタVは「中差あり」で、0.5km/sくらいまでが「大差なし」です。
 昔やった私の見積もりはちょっと甘かったようですが、それはたぶん、火星到達時の速度差はすべて大気制動で吸収する、という乱暴な設定のせいです。
 歌島さんのプランはなぜ大気制動を使わないんでしょう。MGSは大気制動でじわじわアポジを下げて略円軌道に持っていきましたよね。MGSは極軌道でしたが、フォボスへの飛行では大気制動のうまみがないんでしょうか?

 火星の水資源については、極冠でなくても、数メートル掘れば永久凍土にぶつかる、というのが私のイメージです。ラジコン戦車みたいなブルドーザーをひたすら往復させてカンナ掛けのようにトレンチを掘り、地層を観察するミッションを構想しているのですが、誰か乗りませんか?(^^)
 LEOに最も近い水源は、とりあえずフォボスが有力で、次がNEOの地中深くかなと思っていますが、どちらも掘ってみないとわかりませんね。

Posted by: 野尻抱介 | July 12, 2005 09:28 PM

呼ばれて出てきました.

わたしも最近の動向を完全にはフォローできてないのですけど,
http://www.astroarts.co.jp/news/2004/03/20mars_express/index-j.shtml
では南極冠の周囲にダスト層に覆われた凍土層が存在する,という報告の紹介があります.
元はESAのMarsExpressの公式サイトのリリース,
http://www.esa.int/SPECIALS/Mars_Express/SEMYKEX5WRD_0.html
ですね.依然として厚さについては情報がまだ少ないですが,表面積は結構なものがありそうです.長らく待たされていたMarsExpressの地中レーダーアンテナの展開が終わったみたいなので,これで深さ方向の情報が得られるかもしれません.

しかし,上の水がありましたよニュースリリースが一年前の話ですが,まだ論文にはなってないみたいです(見つけてないだけかも).まだデータの検討に時間がかかっているかもしれません.

今年の春の学会の予稿集
http://www.lpi.usra.edu/meetings/lpsc2005/lpsc2005.download.html
を見ると,問題の機器(OMEGA)の特別セッションがあるものの,水の話の続きがあまり見あたりません.これもちょっとアヤシげなところです.しかし一方でこのセッションでは含水鉱物が見つかりました,と言っている発表が結構多いので,何らかの形で結構H2Oはある,という方向に話は進みつつあるようです.

Posted by: 平田成 | July 12, 2005 11:21 PM

>歌島さんのプランはなぜ大気制動を使わないんでしょう。・・・フォボスへの飛行では大気制動のうまみがないんでしょうか?(by 野尻氏)

 傾斜角がほぼ0度のフォボスへの飛行でも、AeroBrakingは同様に有効と思います。私のプランでは、色々な部分で思い切った軽量化が可能との期待を込めた値を使っています。そこで、マージンとしてAeroBrakingで浮く質量を当てにしているといった所です。将来はAeroCaptureも可能になるでしょう。すると、遷移軌道の後に必要な速度増分はかなり減ります。耐熱シールドの性能に依存しますが。

Posted by: 歌島昌由 | July 13, 2005 12:50 PM

平田さん、突然の呼び出しに、快く応えてくださって有難うございます。
結局、火星の水については、
・極冠にあるのは、ほぼ確実。ただし厚さは不明。
・それ以外のところは、確実な情報なし。あるかも知れないし、無いかも知れない。
と言うところでしょうか?
(強引にまとめようとしていますが・・)

カンナ掛け>>
私の場合、火星よりも、フォボスかNEOに水がある可能性があるのなら、そっちにカンナを掛けたくなってしまうのですが・・・
どうやら、一般的には、大きな惑星の上の方が安定して良いと思うようですが、私の場合、無重量に近い方が楽しいと思ってしまう傾向にあるようです。

Posted by: 野田篤司 | July 13, 2005 06:29 PM

 歌島さん、了解です。いろいろトレードオフがあるわけですね。MGSの場合、太陽電池パドルを抵抗体に使っているくらいですから、大気制動用の熱シールドにはほとんど質量をまわしてないと思います。地球軌道での太陽輻射に耐えられる衛星なら、そのままでもいけるんじゃないでしょうか。ただ、MGSは火星到着~略円軌道まで何か月もかかってますから、有人機には向かない方式ですね。

 カンナ掛けですが、車輪ですら接地圧が足りないフォボスやNEOでどうしろと?? でも逆にブルドーザー方式よりうまい手があるかもしれません。こんな小天体で井戸掘り対決ロボコンをやったら楽しいだろうなあ。

Posted by: 野尻抱介 | July 13, 2005 07:01 PM

小天体で井戸掘り対決ロボコン
これは、やりたいですね。
映画のアルマゲドンを観た時も、「どうやったら、ああ言った引力の少ない環境で穴を掘れるのだろう?」と思ったものです。
こう言ったことは、アイデア次第なので、ロボコンの課題にピッタリだと私も思います。

Posted by: 野田篤司 | July 14, 2005 10:09 PM

この記事に私の読書記事(ダイソン自伝)をトラックバックさせて頂きました。この本を再度読むきっかけを与えて頂いた西田さんと野田さんに感謝します。

Posted by: 歌島昌由 | July 17, 2005 10:34 PM

無重力で穴掘り・・接着剤でくっついてガリガリとか、レーザーで溶かす、衝角つけて体当たり、ロケットドリル発射!
他には何があるのかな?(吸盤は無し)

Posted by: 広田正夫 | July 21, 2005 12:25 PM

フリーマン・ダイソン書、『宇宙をかき乱すべきか』を読了しました。
「予算の見積もり、過去の植民事業との比較」の部分、まさか、メイフラワー号との比較とは思いませんでした。
大変、重要な内容を含んだ本でした。
西田さん、貴重な情報有難うございました。

Posted by: 野田篤司 | July 27, 2005 05:29 AM

お気に召していただけたようで、よかったです。(記憶があいまいで、かつ、確認しようにも手元になかったため)「的はずれな紹介になるのでは」と、ドキドキしておりました。
これからも、野田さんの「プロの目」にふれられることを、楽しみにしております。

Posted by: 西田仁 | July 27, 2005 08:32 PM

宇宙での水源の一つとして期待される彗星が、小惑星のような岩石かもとゆう話がありましたので、投稿させていただきます。
http://hotwired.goo.ne.jp/news/technology/story/20050803301.html

Posted by: kk75 | August 04, 2005 03:35 AM

What do you mean?

Posted by: wabDaugh-web | July 12, 2010 12:12 PM

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» ダイソン自伝 『宇宙をかき乱すべきか』 1982年 [歌島昌由の近況]
 この本は、1984年に1度読んでいる。今回、再読したのは、ブログ「マツドサイエンティスト・研究日誌」への西田さんのコメント「小惑星をターゲット(というか足がかり)とする戦略、フリーマン・ダイソンが、その著書、『宇宙をかき乱すべきか』で、まさに述べておりました。かの書では、予算の見積もり、過去の植民事業との比較もなされておりました。」を読んだのがきっかけである。21年前に読んでいたが、内容を全く覚えていなかったので、読み返してみる気になった。なお、標記の本を、インターネットで検索してみると、「絶版ま... [Read More]

Tracked on July 17, 2005 10:31 PM

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