NASA、月面ローバーにEV技術を採用へ
NASAの有人月面探査機(手前)、NASAのロボット探査機「VIPER」(中)、想定される月着陸船(奥)のイメージ。

NASA、月面ローバーにEV技術を採用へ

【サイエンティフィック・アメリカン】乗員を乗せた月面車は、NASAの要求によれば、少なくとも10年は使えるように設計されなければならない。商業用電気自動車を宇宙用に改造するなど、火星の表面に対する大胆なアイデアを検討されている。

サイエンティフィック・アメリカン

【サイエンティフィック・アメリカン、著者:Maddie Bender】NASAのアポロ計画による月探査では、多くの「初めて」があったが、その中でも見落とされがちなのが、人類が初めて、そして今のところ唯一、月面で車を走らせたことだ。カーボンニュートラルな交通手段を求める現代の環境意識を先取りして、アポロの月面ロービングカーはバッテリーを搭載し、すべて電気で動いていた。アポロ15号のミッションで初めて月面を走行したデビッド・スコット宇宙飛行士は、「ムーンバギー」を「作れる限りの最適な車」と評した。また、アポロ16号、17号でも使用された。アポロ16号、17号のミッションでは、平均30km強の月面地形を通過し、最高速度は時速18kmに達した。これらの車両は、ミッション終了後に月面で廃棄されるまでの数時間しか稼働しない、使い捨てのようなものだった。

現在、NASAは再び月面での宇宙飛行を目指している。早ければ2025年に月の南極付近にクルーを送り込む予定のアルテミスIIIミッションがある。しかし、今回はアポロのような月面バギーでは不十分だ。NASAの計画では、最初に月面を歩く宇宙飛行士は、着陸地点周辺を1週間かけて探索し、将来の月面探査のベースキャンプとすることになっている。このような高耐久性の運用には、それに見合った高耐久性の機体が望まれる。昨年8月、NASAは新しい月面車の情報提供を呼びかけるビデオの中で、そのように述べている。これは、アルテミスIIIの目標である、女性を初めて月面に送り出すことを暗示している。

この月面車は、アルテミスの宇宙飛行士をサポートする自動車群の一つに過ぎないのだ。もう1台の月面ローバーであるVIPER(Volatiles Investigating Polar Exploration Rover:揮発性物質を調査する極地探査ローバー)は、人を乗せるのではなく、水の氷を探すために月の南極を100日間、無人で歩き回る。また、第3の探査機として、最大45日間クルーを運ぶことができる加圧型の「ハビタブル・モビリティ・プラットフォーム」も検討している。

乗員を乗せた月面車は、NASAの要求によれば、少なくとも10年は使えるように設計されなければならない。1週間から2週間のミッションにも対応し、人間の訪問の合間に自律的に月面を探索することも可能だ。さらに、将来的に人類が火星に着陸することを想定して作られた後続の月面車の基準となるような設計になっている。

これらの課題に対応するため、宇宙機関は商用自動車メーカーの豊富な経験を生かして、耐久性のあるローバーを一から設計している。NASAの次期月面車をめぐっては、少なくとも2つのパートナーシップが誕生している。1つは昨年5月に発表されたゼネラルモーターズとロッキードマーチンのパートナーシップ。5月にはゼネラルモーターズとロッキード・マーティンが発表し、11月にはノースロップ・グラマン、AVL、インテュイティブ・マシーンズ、ルナ・アウトポスト、ミシュランが発表した。最近行われたケック宇宙研究所のワークショップでは、政府機関、学術機関、産業界の研究者が集まり、商業用電気自動車(EV)を宇宙用に改造するなど、火星の表面に対する大胆なアイデアを検討した。

太平洋を挟んで、日本でも同じような取り組みが行われている。宇宙航空研究開発機構(JAXA)は、日産およびトヨタと提携し、2つの異なる月面走行プロジェクトを実施している。日産は12月に、でこぼこした地形を進むために前後に電気モーターを搭載した無人の月面ローバーのプロトタイプを発表した。一方、トヨタは、水素燃料電池を動力源とした乗員用の加圧式月面巡航船を設計しており、表向きはNASAのハビタブル・モビリティ・プラットフォームと同じ役割を果たすことになっている。このクルーザーは、水素燃料電池を動力源とし、NASAのハビタブル・モビリティ・プラットフォームと同じ役割を果たす。

NASAジョンソン宇宙センターの惑星科学者であるポール・ナイルズは、「惑星用車両と商用車両は、同じ種類の技術を使って操作し、自律的に走行して障害物を回避するという点に収束しつつある」と語る。「確かに、自動化は助けになるし、そのような(パートナーシップ)は本当に相乗効果がある」。

"地球外"は"超難関"を意味する

月と火星には、再利用可能なローバーにとって困難な点が重なっている。スペースXは、開発中の完全再利用可能な重量物用ロケット「スターシップ」で打ち上げコストを大幅に下げたいと考えているが、自動車ほどの大きさのものを宇宙に持っていくのは、まだまだ高額な投資だ(また、スペースXはすでにそのようなことを行っており、いつか火星にテスラサイバートラックを送るという初期の計画を、気まぐれにほのめかしている)。

どちらの天体に着陸しても、乗り物は想像を絶する温度差に対処しなければならない。火星は地球と比べて、太陽の暖かい光を半分しか受けておらず、大気も希薄なため、熱を蓄えることができないとナイルズは言う。

「エベレスト山頂での最悪の日が、火星での最も暖かい日のようなものだ」と彼は言う。「地表の岩石は摂氏0度近くまで温かくなるが、空気はとても冷たいのだ」

月の状況はさらに極端だ。月の自転は地球よりも遅く、月の1日は地球の29.5日に相当する。つまり、多目的車は数週間にわたる月の夜を生き延びなければならず、これは2014年に中国の探査機「嫦娥」が脱線した現象でもある。また、月の昼間の気温は127度にも達し、月の夜になるとマイナス173度にもなる。さらに、月には熱を逃がす大気がないため、影になっている部分は、長い月の昼間でも極端に寒くなることがある。探査機がこのような状況に耐えるためには、太陽電池がない月の夜にエネルギーを蓄えて熱を保つ必要があるが、同時に厳しい太陽光を数週間にわたって浴びてもオーバーヒートしないようにしなければならない。

ロッキード・マーティンの月探査部門の戦略・事業責任者であるデレク・ホッジンズは、「月の夜を乗り切れるかどうかは非常に重要で、そうでなければ、使い捨てのローバーを投入することになってしまう」と言う。

また、宇宙空間で車両が乗り越えなければならないもうひとつのハードルは放射線だ。地球の大気や磁場は、太陽から放出される高エネルギー粒子や宇宙線に対するシールドの役割を果たしているが、これらは素材を劣化させたり、デリケートな電子機器にダメージを与えたりする。しかし、月や火星にはそのようなシールドはない。ゼネラルモーターズのグローバル・インダストリアル・デザイン・ディレクターであるジェフ・ニールドは、「月や火星で何年も活動するサーフェスローバーには、放射線耐性のある電子機器を搭載し、部品の故障に備えて冗長性を高める必要がある」と述べている。

さらに、月や火星の重力は地球よりもはるかに弱く、自動車の動作に微妙な影響を与える。重力が小さいことで、EVが宇宙飛行士のような重荷を運んだり、同じ電源で地球上の同じ車よりも遠くまで移動することができるかもしれない。カリフォルニア工科大学の惑星科学者であるベサニー・エールマンは、月や火星で使用するローバーのキャリブレーションやサスペンションを、重心の変化に合わせて調整する必要があると言う。

NASAのために月面車を設計している2つのパートナー企業は、このような課題にもめげず、NASAとの契約に縛られることなくプロトタイプを開発している。NASAは月面車の情報提供を複数回求めているが、正式な提案依頼書はまだ発行されていない。

「最近完成したコマーシャル・クルー・プログラムでは、産業界からの資金提供は7%で、残りの93%はNASAが負担している」とニールドは言う。

GMとロッキードマーチンの賭けは、おそらくそれほど危険なものではないだろう。ホッジンズによると、アポロ計画では、宇宙用に開発された技術を地上に応用することで、パートナー企業に最大700%の投資収益率をもたらしたという。ホッジンズによると、アポロ計画では、宇宙用に開発された技術を地上に応用することで、産業界に最大700%の投資効果をもたらした。

今回は、自律走行や人間工学に関連した技術が応用されるかもしれない。自律走行技術は、ローバーが着陸候補地を偵察したり、貨物を事前に配置したり、サンプルを収集したりして、乗員によるミッションの準備や補強を可能にする。また、宇宙服を着た乗客や乗員がより快適に過ごせるような車内の設計も重要だ。この2つの分野が改善されれば、より優れた自動運転車や、身体の不自由な人のための機能を強化した車など、地上での消費者向け製品に反映される可能性がある。例えば、GMとロッキード・マーティンのローバーは、宇宙飛行士が使いやすいように室内を広くし、グラブハンドルが移動を助け、手袋をはめたまま操作できるボタンやスイッチがタッチパッドよりも優先されている。

しかし、このようなカスタムメイドのアプローチは、宇宙の問題に対する一つの解決策に過ぎない。ナイルズとエールマンは、既存の民生用EVのシャーシを利用して、地球外での活動に必要な改造を施すデザインにも可能性を見出している。二人は、昨年3月に開催された火星へのアクセスを革新するためのワークショップに参加し、その成果が今月発表されたケック宇宙研究所のレポートに反映された。この報告書の付録には、既製の商用電気自動車を火星に適応させるためのコストとプロセスに関するケーススタディが掲載されている。

理論的には、十分な部品がそのまま使用されていれば、既存の車両を改良するコストは、ゼロから設計するよりもはるかに低くなると、ワークショップを共同で主導したエールマンは言う。

市販のEVには、バッテリーや低温機能のほかにも、火星に適した機能がある。地球と火星では気圧が異なるが、自動車の密閉された加圧部品は影響を受けない可能性が高いとのことだ。また、商用車は何年ものストレステストを経て市販されるが、宇宙用に作られたローバーはそうではない。

しかし、エールマンは、このアイデアはまだ思考実験に過ぎないと言う。しかし、この報告書の既製のアプローチは、火星への有人航海を早めるための、既成概念にとらわれない考え方を示している。

この報告書は、既成概念にとらわれない発想で、有人火星探査を加速させるものだ。「ミッションを単発的なものではなく、ロボットを使って、そしていつかは人として月や火星に米国のプレゼンスを持つための本格的な取り組みとして考えることは有益だ」。

Origin Article: NASA Eyes Electric Car Tech for Future Moon Rovers. © 2022 Scientific American.