僕たちはいつ宇宙に行けるのか
2022年刊
山崎直子・竹内薫著
著者の経歴
山崎直子は1970年、千葉県松戸市に生まれた日本の宇宙飛行士である。東京大学工学部航空学科を卒業し、同大学大学院で航空宇宙工学を学んだ。1996年に宇宙開発事業団へ入社し、1999年に宇宙飛行士候補者に選抜された。2001年に宇宙飛行士として認定され、ロシアのソユーズ宇宙船や米国のスペースシャトルの運用訓練を受けた。2010年4月、スペースシャトルディスカバリー号に搭乗し、国際宇宙ステーションへの補給・組立任務に従事した。2011年にJAXAを退職した後は、宇宙教育や民間宇宙開発の普及に取り組み、一般社団法人スペースポートジャパンの代表理事などを務めている。
竹内薫は1960年生まれの日本のサイエンス作家、科学評論家である。東京大学教養学部と理学部で学び、カナダのマギル大学大学院で高エネルギー物理学を研究し、博士号を取得した。物理学、宇宙論、生命科学など幅広い分野について、一般読者に科学の面白さを伝える活動を続けている
本書の内容
1.宇宙旅行時代の到来
本書の出発点は、宇宙へ行くことが一部の特別な宇宙飛行士だけの経験ではなく、一般の人々にも開かれ始めたという歴史的な変化である。20世紀の宇宙開発は、米国とソ連の国家間競争を中心として発展し、宇宙飛行士は厳しい選抜と長期間の訓練を受けた専門家に限られていた。しかし、21世紀に入ると民間企業が独自にロケットや宇宙船を開発するようになり、2021年には民間人だけによる地球周回飛行も実現した。ヴァージン・ギャラクティックやブルーオリジンは短時間の宇宙体験を目指し、スペースXはより本格的な地球周回飛行を実施するなど、企業ごとに異なる宇宙旅行の形が生まれ始めていた。山崎と竹内は、こうした変化によって宇宙が科学研究の対象であるだけでなく、人間が実際に訪れることのできる場所へと変わりつつあることを紹介する。
2.なぜ宇宙へ行くのか
人間が宇宙を目指す理由は、単に地球の外へ行ってみたいという好奇心だけではない。宇宙には地球上では得られない科学的な知識が存在し、月や火星を探査することによって、太陽系の形成や地球の歴史、生命の起源について理解を深めることができる。また、月や小惑星などには水や鉱物資源が存在する可能性があり、将来的には宇宙空間での活動を支える資源として利用できるかもしれない。更に、宇宙へ進出するために開発される通信技術、材料技術、ロボット技術、生命維持装置などは、地球上の産業や社会にも応用できる。宇宙旅行には、人間の活動範囲を広げるという文明史的な意味もある。人類は長い歴史の中で未知の土地や海洋を探検してきたが、宇宙はその先に広がる新しい領域である。
3.宇宙とはどこからか
宇宙旅行を考えるうえで最初に理解すべき問題の一つが、そもそも宇宙とはどこから始まるのかということである。地球の大気は高度が上がるにつれて薄くなるが、ある高度で突然消滅する訳ではない。そのため、地球の大気圏と宇宙空間の境界には、世界共通の唯一の物理的な線が存在する訳ではない。一般には高度100キロメートルのカーマン・ラインが宇宙の境界として広く用いられているが、米国では高度約80キロメートルを宇宙飛行の基準として扱う場合もある。宇宙旅行には、地球周回軌道へ入らず短時間だけ高高度へ上昇して戻るサブオービタル飛行と、地球の周囲を回り続ける軌道飛行がある。前者では数分間の無重量状態を体験できる一方、後者では数日間以上にわたって宇宙空間で生活することが可能になる。宇宙旅行の内容や費用が大きく異なるのは、到達する高度だけでなく、宇宙船がどれほどの速度を獲得し、どのような軌道を飛行するかによって必要なエネルギーが変わるためである。
4.ロケットの仕組
宇宙へ行くためには、地球の重力に逆らって高度を上げるだけでなく、目的に応じて非常に大きな速度を獲得する必要がある。地球の周囲を安定して周回するためには、低い軌道で秒速約7.8キロメートルという高速が必要であり、通常の航空機では到達できない。ロケットは燃料と酸化剤を燃焼させ、高温のガスを後方へ噴射することで、その反作用によって前方へ進む。航空機のジェットエンジンとは異なり、ロケットは燃焼に必要な酸化剤を自ら搭載しているため、空気の存在しない宇宙空間でも推進力を得ることができる。しかし、宇宙船を高速まで加速するためには大量の推進剤が必要となり、その推進剤自体を運ぶためにも更に燃料が必要になる。これがロケットの設計を難しくする重要な理由である。大型ロケットでは、燃料を使い終えた部分を切り離す多段式の構造を採用することで、機体の質量を減らしながら効率的に加速する。本書は、宇宙旅行が身近なものになるためには、こうしたロケット技術の発展と打ち上げ費用の削減が欠かせないことを説明している。
5.シャトル引退の理由
米国のスペースシャトルは、1981年から2011年まで運用された再使用型の有人宇宙船であり、宇宙ステーションの建設や人工衛星の運搬などに大きく貢献した。しかし、スペースシャトルは当初期待されていたほど低費用で頻繁な運航を実現できず、最終的には運用を終了した。その背景には、機体の再使用に多くの点検と整備が必要であったことに加え、1986年のチャレンジャー号事故と2003年のコロンビア号事故という重大な悲劇があった。スペースシャトルは大型の翼を備えて滑走路へ帰還することができたが、打ち上げから帰還までの全段階で乗組員を安全に脱出させる仕組を十分に備えていた訳ではなかった。再使用型宇宙船を開発する際には、機体を繰り返し利用できることだけでなく、整備の容易さ、安全性、運用費用、緊急時の脱出能力などを総合的に考える必要がある。スペースシャトルの歴史は、技術的に優れた宇宙船であっても、それだけで経済的かつ安全な宇宙輸送手段になるとは限らないことを示している。本書は、この経験を通じて、次世代の宇宙船に何が求められるのかを考察している。
6.民間企業の宇宙進出
21世紀の宇宙開発における最も大きな変化の一つが、民間企業の役割の拡大である。従来は国家の宇宙機関がロケットや宇宙船の開発を主導してきたが、スペースX、ブルーオリジン、ヴァージン・ギャラクティックなどの企業が独自の技術を開発し、宇宙輸送を事業として提供するようになった。民間企業が宇宙開発に参入することで、開発方式や機体の設計に競争が生まれ、再使用技術の改良や費用削減が進む可能性が高まった。特にスペースXは、ロケットの第一段を着陸させて再使用する技術を実用化し、従来のように打ち上げのたびに機体の主要部分を使い捨てる方式を変えようとした。また、民間企業が有人宇宙船を運用することによって、宇宙飛行士の輸送だけでなく、一般人の宇宙旅行という新しい市場も形成され始めた。
7.宇宙旅行の料金
宇宙旅行が一般の人々に普及するために、最も重要な課題の一つが旅行費用である。地球上の航空旅行では、多くの乗客を一度に運び、機体を繰り返し使用することによって、一人当たりの輸送費用を抑えている。しかし、宇宙旅行では打ち上げに大量の推進剤が必要であり、宇宙船の開発費、安全管理、整備、訓練などにも大きな費用がかかる。2022年当時、短時間の宇宙体験であっても数千万円規模の費用が必要とされ、地球周回軌道への旅行や宇宙ステーション滞在となれば、更に高額になると考えられていた。旅行費用を削減するためには、ロケットや宇宙船の再使用を進めるだけでなく、機体の整備を簡素化し、運航回数を増やし、より多くの乗客を安全に輸送する仕組が必要となる。また、宇宙旅行の需要がどの程度存在するのかも、事業の採算性を左右する。初期の宇宙旅行は富裕層を中心とする市場であるが、将来的に技術革新が進めば、より多くの人々が利用できる価格帯へ近づく可能性がある。
8.世界の宇宙開発競争
本書では、宇宙開発が米国とロシアだけの活動ではなく、中国、欧州、日本など多くの国々が参加する国際的な競争と協力の舞台になっていることを紹介している。米国はNASAの月探査計画と民間企業の技術開発を組み合わせ、月への再進出と将来の火星探査を目指していた。中国は独自の有人宇宙船と宇宙ステーションを開発し、月や火星への無人探査でも成果を上げていた。欧州はロケット、科学衛星、惑星探査、宇宙船の構成機器などで重要な役割を担い、日本も国際宇宙ステーションへの参加や小惑星探査を通じて独自の技術を発展させてきた。宇宙開発は国家の科学技術力を示す活動であると同時に、通信、測位、地球観測、安全保障などの社会基盤にも直結するため、各国にとって戦略的な重要性が高い。しかし、宇宙空間での活動には膨大な費用と高度な技術が必要であり、一国だけで全てを実現することは容易ではない。そのため、競争が激しくなる一方で、国際的な共同開発や技術協力も重要になっている。本書は、宇宙開発を単なる科学の進歩としてではなく、国家、企業、社会の関係を変える大きな動きとして捉えている。
9.月へ戻るアルテミス計画
米国が進めるアルテミス計画は、アポロ計画以来となる人類の月面への再進出を目指すものであり、本書でも重要なテーマとして取り上げられている。アポロ計画では、宇宙飛行士を月面に送り込み、短期間の探査を行って地球へ帰還することが中心であった。しかし、アルテミス計画では、月面探査を継続的に実施し、将来の長期滞在や火星探査に必要な技術を蓄積することが目標とされている。そのため、月へ向かう大型ロケット、有人宇宙船、月着陸船、宇宙服、月周辺の拠点など、様々な技術の開発が進められてきた。特に月の南極付近には水の氷が存在する可能性があり、これを飲料水や酸素、ロケット推進剤の原料として利用できれば、地球から運搬する物資を減らせる可能性がある。また、月は火星よりも地球に近いため、宇宙空間での長期生活や資源利用の技術を試す場所としても重要である。著者たちは、月への再進出が単なる過去の栄光の再現ではなく、人間が更に遠い宇宙へ進出するための新しい段階になることを説明している。
10.宇宙ホテルの構想
宇宙旅行が将来一般化した場合、旅行者は宇宙船で短時間の飛行を体験するだけでなく、宇宙空間に設けられた宿泊施設で数日間を過ごすことも考えられる。本書では、こうした宇宙ホテルの構想が、宇宙旅行の将来像の一つとして紹介されている。宇宙ホテルが実現すれば、旅行者は無重量環境で食事や睡眠を取り、窓から地球を眺め、地上では経験できない生活を楽しむことになる。しかし、宇宙空間に宿泊施設を建設するためには、空気や水の循環設備、温度管理、放射線防護、通信、電力供給など、地上のホテルとは根本的に異なる技術が必要となる。更に、宿泊客を安全に輸送する宇宙船、緊急時の帰還手段、医療体制、物資の補給なども欠かせない。宿泊施設の建設費だけでなく、継続的な運用費用も非常に高くなるため、宇宙ホテルが経済的に成立するかどうかは、宇宙輸送費の削減と利用者の需要に大きく左右される。宇宙ホテルという構想は、人類が宇宙を訪問するだけでなく、宇宙で一定期間生活する時代への可能性を示している。
11.火星が移住先となる理由
本書では、将来、人類が地球以外の天体に長期間居住するとすれば、火星が有力な候補となる理由についても説明している。火星は地球と同じ岩石惑星であり、一日の長さは約24時間37分と地球に近く、地軸が傾いているため季節の変化も存在する。また、地表や地下には水の氷が確認されており、過去には液体の水が存在していたことを示す地形も発見されている。こうした特徴は、人間が現地資源を利用して生活する可能性を考える上で重要である。一方、火星の大気は非常に薄く、主成分は二酸化炭素であり、地表の気温も低いため、人間は宇宙服や密閉された居住施設なしに生活することはできない。地球から火星までの飛行には数か月を要し、緊急時に短時間で帰還することも困難である。そのため、火星への移住を実現するには、水や酸素の製造、食料生産、エネルギー供給、放射線防護、医療など、多くの技術を現地で維持できるようにする必要がある。火星は人間にとって決して快適な惑星ではないが、太陽系のほかの天体と比較した場合、長期的な居住を検討するための条件を比較的多く備えている。
12.宇宙で生きる生命
人間が宇宙で長期間生活するためには、ロケットや宇宙船を開発するだけでは不十分であり、生命が宇宙環境にどのように適応できるかを理解する必要がある。地球上の生命は、大気、水、適切な温度、重力などの条件のもとで進化してきた。しかし、宇宙空間では真空、放射線、無重量状態、激しい温度変化など、地球とは大きく異なる環境に直面する。本書では、極端な環境に耐える能力を持つクマムシなどの生物にも着目し、生命がどのような条件で生存できるのかを考える。クマムシは乾燥などの厳しい条件下で活動を極度に低下させ、一部の種では宇宙の真空や放射線への耐性が実験によって示されている。ただし、クマムシのような生物であっても、宇宙空間で無制限に生きられる訳ではない。こうした生物の研究は、生命が環境の変化にどのように対応するのかを理解する手がかりとなり、宇宙での生命維持技術や、地球外生命の存在可能性を考える上でも重要である。人間が宇宙へ進出することは、宇宙船の技術だけでなく、生命科学への挑戦でもある。
13.宇宙開発と費用
宇宙旅行を実現するために解決しなければならない最大の課題の一つが、宇宙へ物資を運ぶための費用である。地球上では航空機や船舶、鉄道などによって大量の物資を比較的低い費用で輸送できるが、宇宙へ物を運ぶには大きなエネルギーが必要となる。特に地球周回軌道へ到達するためには、単に高度を上げるだけでなく、地球の周囲を回り続けるための高速を獲得しなければならない。そのため、宇宙船の重量が増えるほど必要な推進剤も増え、輸送費用が大きくなる。宇宙旅行が普及するためには、宇宙船の機体や燃料だけでなく、乗客の食料、水、酸素、生活設備なども効率的に輸送する必要がある。再使用型ロケットの開発は、この問題を改善するための重要な方法であり、機体を繰り返し利用することで、一回の打ち上げに必要な製造費用を削減できる可能性がある。しかし、機体の再使用だけで全ての費用がなくなる訳ではなく、整備、点検、安全管理、地上施設の運用などには引き続き費用がかかる。本書は、宇宙旅行の一般化を技術的な問題であると同時に、経済的な問題として捉えている。
14.遠い宇宙へのエネルギー
地球周回軌道を離れて月や火星、更に遠い惑星へ向かうためには、より効率的な推進技術とエネルギー利用が必要になる。現在のロケットの多くは化学燃料を燃焼させることで推進力を得ているが、化学ロケットには推進剤の質量や燃焼効率による制約が存在する。長距離の宇宙航行では、より少ない推進剤で長期間加速できる電気推進や、将来的な原子力推進などが重要な研究対象となる。電気推進は化学ロケットと比べて推力が小さい場合が多いものの、推進剤を効率的に利用できるため、長期間の無人探査や宇宙空間での軌道変更に適している。一方、人間を乗せた宇宙船では、飛行時間を短縮し、放射線への被曝や生命維持に必要な物資を減らすことも重要になる。そのため、推進方式の選択は、宇宙船の速度だけでなく、安全性、費用、搭載できる物資の量などと密接に関係している。著者たちは、宇宙旅行が地球周回軌道から更に遠い世界へ広がるためには、エネルギー技術の進歩が不可欠であることを説明している。
15.宇宙での健康管理
宇宙で人間が長期間生活する場合、身体への影響を避けることはできない。地球上では、筋肉や骨は常に重力に対抗して身体を支えているが、宇宙の無重量環境ではその必要が大きく減少する。その結果、筋力や骨量が低下しやすくなり、心臓や血管の働き、平衡感覚などにも変化が生じる。国際宇宙ステーションでは、宇宙飛行士が毎日運動を行い、身体機能の低下を抑えるための対策を続けている。また、宇宙空間では地球の大気や磁場による放射線防護が弱まるため、長期間の滞在では宇宙放射線への被曝も重要な問題となる。更に、狭い空間で限られた人数と共同生活を送ることは、心理的な負担を生む。宇宙旅行が一般化すれば、宇宙飛行士のように高度な訓練を受けた人々だけでなく、年齢や健康状態の異なる多様な人々が宇宙へ行くようになる。そのため、宇宙船の安全性に加えて、旅行者の健康状態を確認し、適切な医療体制を整えることが必要になる。宇宙旅行の普及は、宇宙医学の発展とも深く結びついている。
16.宇宙ごみの問題
宇宙開発が進むにつれて重要性を増している問題の一つが、地球周回軌道に存在する宇宙ごみ（スペースデブリ）である。人工衛星やロケットの部品、使用済みの機器、衝突によって生じた破片などが宇宙空間に残り、地球の周囲を高速で移動している。これらは小さな破片であっても非常に大きな速度を持っているため、宇宙船や人工衛星に衝突すれば重大な損傷を引き起こす。宇宙旅行が普及し、地球周回軌道を飛行する宇宙船が増えれば、軌道上の安全管理は更に重要になる。宇宙ごみの増加を防ぐためには、使用済みの衛星を適切に軌道から除去することや、ロケットの部品をできるだけ宇宙空間に残さない設計が求められる。また、宇宙ごみの位置を観測し、衝突の危険を予測する技術も欠かせない。宇宙は非常に広大であるが、人工衛星や有人宇宙船が活動する軌道は限られているため、無秩序に利用すれば将来の宇宙開発を難しくする。宇宙旅行の未来を考えることは、宇宙空間を安全で持続可能な環境として維持する責任を考えることでもある。
17.日本のロケット開発
本書の最終章では、日本が世界の宇宙開発の中でどのような役割を果たしているのかが取り上げられている。日本は長年にわたり、科学衛星や人工衛星の打ち上げ、国際宇宙ステーションへの物資輸送、惑星探査などで独自の技術を蓄積してきた。H-IIAロケットやH-IIBロケットは、日本の宇宙輸送能力を支える重要な存在であり、次世代のH3ロケットでは、より柔軟で費用効率の高い打ち上げサービスを目指した開発が進められていた。宇宙輸送市場では、米国の民間企業を中心に再使用型ロケットの技術開発が進み、打ち上げ費用の削減競争が激しくなっている。その中で日本が競争力を維持するためには、ロケットの信頼性を確保するだけでなく、製造費用や運用費用を下げ、利用者の需要に対応できる体制を整える必要がある。また、宇宙開発は政府の研究機関だけで完結するものではなく、民間企業の技術や資金、事業構想を取り入れることも重要になっている。本書は、日本が宇宙開発で培ってきた技術的な強みを評価しながら、世界的な競争の中で新しい産業を育てていく必要性を示している。
18.はやぶさが示した技術
日本の宇宙開発を象徴する成果として、本書では小惑星探査機はやぶさとはやぶさ2の活動が取り上げられている。初代はやぶさは小惑星イトカワへ到達し、様々な機器の故障や通信の問題を乗り越えながら、2010年に地球へ帰還した。その後、はやぶさ2は小惑星リュウグウを探査し、地表の試料を採取して2020年に地球へ届けた。小惑星から試料を持ち帰ることには、太陽系の形成過程や地球の水、有機物の起源を研究するという科学的な価値がある。また、遠く離れた小惑星へ探査機を送り込み、精密な軌道制御や着陸に近い操作を行い、試料を回収して地球へ帰還させるためには、高度な航法技術、通信技術、自律制御技術が必要になる。こうした技術は、将来の月や火星への探査、宇宙空間での物資輸送、資源利用などにも応用できる可能性がある。日本は米国や中国のような大規模な有人宇宙開発だけでなく、精密な探査技術や独自の研究成果によって国際的な存在感を示してきた。本書は、小惑星探査の成功を通じて、日本が宇宙開発で果たすことのできる役割を具体的に紹介している。
19.日本の宇宙港構想
宇宙旅行を一般の人々に広げるためには、宇宙船だけでなく、地上から安全に打ち上げ、帰還できる施設も必要になる。こうした施設は宇宙港、あるいはスペースポートと呼ばれ、ロケットや宇宙船の発着、乗客の訓練、機体の整備、燃料の供給、安全管理などを行う拠点となる。日本には種子島宇宙センターや内之浦宇宙空間観測所などの打ち上げ施設が存在するが、将来的な民間宇宙旅行の拠点を整備するためには、従来とは異なる発想も必要になる。宇宙旅行の方式によっては、滑走路を利用する宇宙船や、専用のロケット発射施設が求められるため、空港の利用や新しい施設の建設が検討されている。山崎直子は、宇宙港の整備と宇宙輸送産業の発展を目指す活動にも関わっており、日本から一般の人々が宇宙へ出発する未来を重要な課題として捉えている。宇宙港が発展すれば、宇宙船の運用だけでなく、観光、教育、研究開発、航空宇宙関連の製造業など、地域経済への波及効果も期待できる。
20.日本の未来と宇宙産業
日本の宇宙開発が今後発展するためには、従来の国家主導の研究開発だけでなく、民間企業が新しい事業を生み出す環境を整えることが重要になる。宇宙産業はロケットや人工衛星の製造だけでなく、通信、測位、地球観測、データ解析、宇宙ロボット、宇宙旅行、宇宙資源利用など、多くの分野へ広がっている。日本には精密機械、電子部品、材料、ロボット、自動車、情報通信などの産業基盤があり、これらの技術を宇宙開発へ応用できる。また、宇宙旅行が一般化すれば、宇宙船を製造する企業だけでなく、旅行者の訓練、医療、宿泊、観光、教育などの関連事業も生まれる。一方、日本の宇宙産業が世界で競争力を高めるためには、研究成果を実際の事業へ結びつける仕組や、民間投資を呼び込む制度、人材育成などが必要になる。宇宙開発を国家の科学技術政策として考えるだけでなく、新しい産業を創造する機会として捉えることが重要である。本書は、宇宙旅行という身近な関心を入り口として、日本が宇宙開発の未来にどのように参加できるのかを考えさせている。
宇宙旅行の未来年表
本書には、一般の人々が宇宙へ行ける時代までの展望を示す未来年表が収録されている。こうした年表は、宇宙開発がどのような順序で進展する可能性があるのかを理解するための手がかりとなる。短時間の宇宙旅行から始まり、地球周回軌道での滞在、宇宙ホテル、月への旅行、月面基地、更に火星への有人探査や移住へと、宇宙での活動範囲が段階的に広がっていく構想が示されている。ただし、宇宙開発の計画は技術的な問題、資金調達、政治的な判断、安全基準などによって変更されることが多く、将来の予定を確定した事実として受け取ることはできない。