人類が再び月へ向かっている。米航空宇宙局（NASA）のアルテミス2号は1日（現地時間）に宇宙飛行士4人を乗せて打ち上げられ、月飛行に成功し、6日には人類最長距離の有人宇宙飛行記録を更新した。約半世紀ぶりの有人月飛行は、人類が再び深宇宙へ進むという象徴になった。
今後NASAは月を拠点として火星探査に乗り出す予定だ。表面的には月と火星はいずれも地球外の他天体へ向かう探査である。しかし宇宙工学では2つの任務の性格は全く異なる。
カン・ギョンイン宇宙航空庁宇宙科学探査部門長は13日「探査機を送る基本概念自体は似ているが、実際の探査の観点では（火星は）軌道投入、大気圏突入、着陸、再離陸、帰還までの全過程が月とは比べものにならないほど複雑になる」と説明した。
◇遠いほど難しい…火星有人探査の難題
火星は地球から月よりはるかに遠い。地球から月までの距離は約38万kmで、数日で到達できる。しかし火星までの距離は平均約2億2500万kmで、片道でも7〜10カ月かかる。往復と滞在まで考えると任務は2〜3年の長期遠征になる。NASAは有人火星探査は総延長16億km（10億マイル）を超える旅程になり得るとみている。その分、食料、水、酸素、医薬品、予備部品、電力、廃棄物処理を長期間維持できるようにしなければならないという意味だ。
問題は遠くへ行くほど輸送できる貨物の量が減る点だ。火星へ向かうには地球重力圏を脱するためにより大きな速度変化が必要で、そのため推進剤比率が大きくなる。したがって同じ打ち上げ能力でも生命維持装置や機器、補給品に充てられる搭載質量の余裕が減る。
加えて火星へ向かう発射ウインドウは頻繁には開かない。NASAとジェット推進研究所（JPL）の資料によると、地球と火星の位置関係が適切に整いエネルギーを効率的に使って行ける発射機会は概ね26カ月ごとに一度訪れる。技術的問題で一度延期されると数週間ではなく2年以上待たねばならず、その分コストと検証負担も膨らむ。
NASAの評価資料によると、月ミッションでの通信遅延は片道約3〜14秒水準だが、火星ミッションでは地球との距離により最大22分の片道遅延、44分の往復遅延が生じ得る。地球から状況を見て即座に指示を出す方式が事実上通用しないという意味だ。月では地上管制の支援が遅れても信号は比較的速く届くが、火星では乗組員が現場で自ら判断し故障を解決しなければならない時間がはるかに長くなる。
技術的難題と同じくらい難しいのが人体リスクだ。月ミッションは数日で終わり緊急帰還も比較的早いが、火星は長期の深宇宙滞在を前提とする。宇宙飛行士はその間、地球磁場の外で宇宙放射線に長期間さらされる。欧州宇宙機関（ESA）は、火星まで6カ月飛行し、さらに6カ月かけて帰還する旅程だけでも宇宙飛行士の経歴推奨限度の最小60%に相当する放射線に曝露され得ると説明した。これに微小重力による筋肉・骨の損失や閉鎖空間ストレスなどが加わる。
◇薄い大気と大きな熱…火星着陸が難しい理由
2つ目の違いは着陸と帰還だ。このうち着陸区間は宇宙工学でEDL、すなわち「進入・降下・着陸（Entry, Descent, Landing）」と呼ぶ。宇宙船が惑星大気圏に入り、速度を落とし、最後に表面へ無事に足を下ろす全過程を丸ごと指す言葉だ。
月は大気がほとんどなくパラシュートを使えず、逆推進で減速して着陸しなければならない。一方、火星には大気があるが非常に薄く、宇宙船を十分に減速させられない一方で、宇宙船が大気圏に進入する際に大きな熱を生む。したがって火星着陸機は熱遮蔽で進入熱に耐え、パラシュートと推進降下装置でさらに速度を落とす必要がある。
NASAは昨年公表した火星EDL関連の白書で、火星着陸は薄い大気と大きな熱、限られた減速手段が一度に重なる高度な課題だと説明した。実際にこれまでロボット探査機の火星着陸試行は19回あり、そのうち成功は12回だった。人を乗せた着陸機はロボット探査機よりはるかに大きく重くなる必要がある点で難度はさらに高まる。
さらに大きな問題は降りることより再び上がることだ。月面の重力は地球の約6分の1水準で、比較的小さな上昇船でも月軌道まで上がって軌道船とドッキングできる。一方、火星は重力が地球の約3分の1水準で月より強く、一度降りた後に再び人員と装備を乗せて軌道へ上がるには、より多くの推進剤とより複雑なシステムが必要だ。
◇火星探査の核心は燃料…技術検証と天文学的費用が変数
カン部門長は火星有人探査の核心技術の一つとして「推進剤をどれだけ多く輸送できるか」を挙げた。スペースXがスターシップ体系で軌道上補給を強調する理由も、巨大な宇宙船を一度に火星まで送るより地球近傍で燃料を補給して送る方が現実的だからだ。
そこで併せて取り上げられる概念が現地資源利用（ISRU）だ。カン部門長は「火星でメタンなどの推進剤を生産できれば重量を大きく減らせ、火星探査が画期的に有利になる」と述べた。NASAもこれを実際の研究課題として扱っており、パーサビアランスローバーに搭載した装置で火星大気の二酸化炭素から酸素を作る実証を行った経緯がある。
カン部門長はまた「アルテミスも技術自体は相当部分を備えているが、2026年の実際の有人飛行からドッキング、2028年の着陸まで手順を着実に検証する段階を踏む」とし、「火星はそれよりはるかに多くの技術の実証が必要なだけに、個別技術を統合し反復検証する時間も長くかかる」と見通した。
スペースXのような攻勢的な技術開発と莫大な予算が裏付けられるなら2030年代半ばに火星有人探査が進む可能性はあるが、技術成熟度と検証過程、天文学的費用が変数になるとの分析だ。