深宇宙服

警報が鳴る頃には、彼は立ち上がっていた。探査機が撮影していないことを願いつつも、撮影していたことは知っていた。フォボスの表面に顔から転がり落ちた彼の姿が後世に記録されたのだ。バイザーの光ファイバーディスプレイが不吉な光を放つ。宇宙服が破れた。彼の体、あるいはその一片が、火星の衛星の生々しく空気のない真空にさらされたのだ。

宇宙飛行士の死因はさまざまだが、減圧は最も恐ろしいもののひとつだ。宇宙服に穴があくと、体を包む純酸素の膜が漏れて低酸素症で意識を失う前に、避難場所まで急いで逃げる必要がある。急激な圧力低下は爆発的ではないが、ひどいものだ。体内の水分が蒸発して逃げ出そうとし、肺が虚脱して循環が停止する。

しかし、今日は誰も死なない。少なくともフォボスでは。彼が着ているスーツは加圧バルーンではない。実際はその逆で、スマート メモリ合金の格子で体に密着するスクイーズ スーツで、酸素クッションの代わりに直接の機械的な反圧が使われている。その結果、体にぴったりフィットして機敏になり、移動に必要なエネルギーが少なくなり、宇宙飛行士の徒歩移動範囲が広がる。また、破裂してもスーツは機能し続ける。宇宙探検家のエース バンデージに相当するものでその場でパッチを当てることができ、スーツ自体の形状記憶合金がしっかりと引っ張られて破れ目を塞ぐ。

パッチを当てる頃には、警報は止まっている。表皮バイオセンサーと経路計画アルゴリズムにより、宇宙飛行士の月面横断距離は 6 マイルから 4 マイル強に短縮された。心拍数が落ち着いたら、彼はミッション コントロールに電話してこの近道に反対するだろう。ひどい打撲傷で死ぬことはない。そして、彼は今引き返すために故郷から 1 億マイルも旅したわけではない。

* * *

人類が太陽系のさらに奥深く、小惑星、火星の衛星、さらには火星自体まで進むには、新しい宇宙服が必要になる。宇宙の深部を旅し、異星の表面を容易に移動し、さまざまな潜在的に致命的な危険から生き延びることができる宇宙服だ。「ガスで加圧された宇宙服に小さな穴が開いたら、それは大緊急事態です。ミッションは終了です。できるだけ早く安全な場所に戻ってください」と、航空宇宙生物医学エンジニアで、MITの技術政策プログラムのディレクターであるダバ・ニューマン氏は言う。

今日の最も洗練された宇宙服でさえ、低軌道での使用に限られており、宇宙船から脱出するように設計されたものはなかった。NASAは、1986年のチャレンジャー号の事故の後、打ち上げと再突入時にシャトルの宇宙飛行士を保護するために、先進的乗員脱出スーツ（ACES）を使い始めた。しかし、それは任務にはほとんど適していなかった。シャトルの制御装置はスーツ操作用に作られていなかったため、パイロットはかさばる手袋をはめずに飛行することが常であり、急激な圧力漏れに対して無防備だった。スーツの生命維持システムは、キャビン全体にホースをテープで留めるという、場当たり的なものだ。シャトル計画が終了した今、宇宙飛行士は1973年に導入されたロシア版のACESを着用している。

NASA のもう 1 つの宇宙服、船外活動ユニット (EMU) は、衣服というより、液体冷却配管を満載した数百万ドルの宇宙船です。宇宙遊泳中に着用され、1983 年に初めて宇宙空間に着陸しました。この宇宙服の生地の大半は、冷戦時代の最先端のものでした。宇宙服の製造元である ILC Dover は自己修復ポリマーの実験を行っており、NASA は超薄型断熱材用のエアロゲルなどの先進材料の開発を推進していますが、これらの技術はまだ EMU には採用されていません。

宇宙飛行の次の時代は、世界中の研究室で育まれている豊富な材料や設計を、お下がりで我慢する必要はない。軌道および弾道ロケットの民間による引き継ぎが迫り、人類を火星に着陸させるという命令が初めて聞こえてくる中、宇宙に行く人はさらに増えるだろう。中には長距離を旅する人もいる。彼らには、安全を守るだけでなく、彼らの野望に応える宇宙服が必要だ。

* * *

発射スーツ

最初の新型宇宙服は、ACES の後継機となるが、鋭い目を持つミサイルマン向けではなく、宇宙に飛び立つために何十万ドルも支払ったパイロットや乗客の新しい集団向けに設計される。宇宙船内活動用または打ち上げ突入用宇宙服と呼ばれるこれらは、宇宙産業のドロップダウン式酸素マスクであり、その真の機能 (加圧やある程度の生命維持を含む) は緊急時に作動する装置である。

宇宙服メーカーとの最初の契約で、スペースXは、加圧服が「カッコいい」見た目でなければならないと規定した。デザイナーたちはNASA以外の顧客と初めて取引することになり、新たな課題に取り組むことを余儀なくされている。宇宙服メーカーのオービタル・アウトフィッターズとの最初の契約で、スペースXは、加圧服が「カッコいい」見た目でなければならないと規定した。「政府との契約では、そのような言葉は使われません」とオービタル・アウトフィッターズの主任デザイナー、クリス・ギルマンは言う。「私は気に入っています。」しかし、カッコいい宇宙服の設計には障害がある。打ち上げ突入用の宇宙服は不格好で、ヘルメットと手袋用の硬いインターフェースが埋め込まれた特大のワンピースで、加圧されるとバスケットボールのように膨らむのに十分なスペースがあり、特に座席では、宇宙飛行士が立ち上がらなくて済むようにする必要がある。ギルマンは、この「だぶだぶのお尻」をタクティカルステッチで補う計画だ。クラウドファンディングプラットフォームのキックスターターを通じて3Gスーツの初期資金を確保したファイナル・フロンティア・デザインの共同設立者テッド・サザン氏は、ファッションデザイナーが常に行ってきたように、パターン化を利用してフィット感を改善したいと考えている。「正直、それが鍵だと思います」と同氏は言う。「より人間らしくなればなるほど、見た目がかっこよくなります。」

これは宇宙服設計の新たなビジネスだ。つまり、よりスリムなパッケージに生存能力を詰め込むことであろうと、構造や材料の選択において斬新でコスト削減につながるイノベーションを考え出すことであろうと、商業顧客のニーズを満たすことだ。3Gスーツ（その最初のスーツは、早ければ1月にもスペインの航空宇宙新興企業zero2infinityに納入される予定）では、一部の金属部品が排除されている。ファイナル・フロンティアは、他の部品を高性能プラスチックに置き換えることを検討している。オービタル・アウトフィッターズがエックスコール・エアロスペースに弾道飛行用2人乗り機リンクス用に提供しているIS3スーツでは、同社は使い捨て部品を検討している。スーツを密閉するブラダー層などの部品は、打ち上げの前に毎回交換できる。

* * *

探検スーツ

低軌道を超えるには、宇宙飛行士は新しい打ち上げ突入用スーツ以上のものが必要になる。探査用の多目的スーツが必要になる。NASAは最近、一連のテストベッド設計の最初のスーツであるZ-1スーツを発表した。Z-1は関節にベアリングが組み込まれており、現在の船外活動（EVA）モデルであるEMUよりもはるかに可動性が高い。また、スーツを独自のエアロックに変えることができる後部エントリーポートがあり、居住区の側面にドッキングして、研磨性の月面レゴリスや腐食性の火星の土壌に引っかからないようにすることができる。次に、NASAはZ-2の作業を開始し、これら2つのスーツの最高の機能がZ-3に組み込まれる。すべてが計画どおりに進めば、Z-3は2017年までに国際宇宙ステーションから初の宇宙遊泳を行うことになる。

しかし、Z-3 が軌道上にどんな機能を持ち込むとしても、今日の最も先駆的な材料を含むことはなく、EVA スーツの最大の欠点である、生存可能な圧力を維持するのに十分な酸素が充填された人型の飛行船である EVA スーツの問題を解決することもなさそうだ。宇宙飛行士は移動中、自分の服と格闘したり、巨大な風船動物のような手足を曲げたり伸ばしたりするのにエネルギーの 75 パーセントを消費し、実際の探査作業には 25 パーセントしか使わない。

MIT のニューマン氏は、この比率を逆転させたいと考えている。1999 年以来、同氏はバイオスーツを開発してきた。これは、ガス充填による加圧を別のシステム、つまり機械的逆圧 (MCP) に置き換えた宇宙服である。保護用の空気緩衝材を送り込む代わりに、MCP は全身を均一に圧迫し、機械的な力で十分な大気圧を再現する。その結果、宇宙服はより容易に動き、宇宙飛行士のエネルギーの 25 パーセントしか使用しなくなる。また、破損した場合でも機械的逆圧を簡単に回復できるため、はるかに耐久性も高くなる。

宇宙飛行士には、猛スピードで飛ぶ小惑星の穴だらけの表面や、火星の砂嵐に耐えられるスーツが必要だ。MCP を実現するために、ニューマンは新しい素材、つまり、人間の複雑な生理学的曲線にしっかりと密着し、動きにも柔軟に対応できる素材が必要だ。「過去数年間、私たちは 14 の候補技術を検討していました」と彼女は言う。「今では 3 つに絞りました」。1 つの選択肢は、電流によって膨張または収縮し、低電力アクチュエータとして機能する誘電エラストマーです。もう 1 つは、包括的な用語である形状記憶合金です。
元の形状と特性を回復できる柔軟な金属の実現を目指しています。ニューマン氏のチームは、温度変化に応じて変形したり再形成したりするニッケルとチタンの混合物であるニチノールを含む複数の合金を編み込むことに焦点を当てています。

「技術的な実現可能性は証明できたと思います」とニューマン氏は言う。年間数百万ドルあれば、3～5年でこの技術を拡大し、本物のスーツを製造できると彼女は見積もっている。

* * *

夢のスーツ

有人深宇宙ミッションの実現には、困難なハードルが立ちはだかる。経済的に火星まで往復できる推進力、1 年間の飛行中に乗組員を致死的な銀河宇宙線から守れる宇宙船などだ。来年どころか、おそらく 10 年先でもないが、遠距離宇宙探査の日が来たら、宇宙飛行士は猛スピードで飛ぶ小惑星の穴だらけの表面から火星の砂嵐まで、さまざまな環境に耐えられる宇宙服が必要になる。それを作るには、設計者は新しい機能をもたらす新しい素材の宝庫が必要になる。

宇宙服全体に張り巡らされた導電性ナノワイヤと電気活性ポリマーは、宇宙飛行士の動きからエネルギーを収集し、加圧ヘルメットのバイザーを半透明の光ファイバーヘッドアップディスプレイに変えることができる。バイザーに重ねられたローカルマップとプリセットルートは、音声コマンドでオンとオフを切り替えることができる。その他のデータは、エネルギーと空気の供給を最適化するためにペースを落とすことを推奨するアルゴリズムを通してフィルタリングされた表皮バイオセンサーから取得される可能性がある。全身 MCP の実現に懐疑的なエンジニアでさえ、ガスフリー手袋などの限定的な用途を思い描いている。

目的地によっては、設計者は他の部品と交換できる。小惑星に向かうスーツには、ヤモリの皮膚と同じ乾燥接着効果を利用したブーツの底が付いており、高速で回転する天体のほぼ無重力状態を含む、ほぼあらゆる状況で表面に接着できる。ドレイパー研究所で開発中のスタビライザーは、スーツの腕と脚に取り付けることができる。小型のジャイロスコープには小さな回転ディスクがあり、抵抗を与えて地球の重力のような印象を与え、無重力状態での方向感覚の喪失を軽減できる可能性がある。

火星には、気温が華氏70度からマイナス225度まで変動するなど、独自の課題がある。「火星には季節があります」と、Z-1に携わるNASAの宇宙服エンジニア、エイミー・ロスは言う。「実際に、春用の薄手のジャケットと冬用の厚手のコートが必要になるかもしれません」。ロスはさまざまな重さの、取り外し可能な全身カバーオールを提供することを思い描いているが、ニューマンは実際のコート、つまり火星の最悪の気温低下にも耐えられるだけのガス含浸断熱材を備えた、わずか数ミリの厚さのエアロゲル層状の衣服を推進している。ILCドーバーが開発した蓮の葉にヒントを得たコーティングは、植物の滑りやすい自己洗浄特性を模倣しており、車両や施設に持ち込まれるほこりの量を制限できる可能性がある。

ファイナル フロンティアは、軽量で柔軟性のある放射線遮蔽材としてナノ構造または粉末化合物の開発に取り組んでいます。これは将来の宇宙服にとって最大の課題の 1 つです。現在、宇宙服には放射線防護機能がないため、NASA は宇宙飛行士のキャリアにおける宇宙遊泳の回数を制限するしかありません。

オービタル アウトフィッターズのギルマン氏は、「宇宙服には目に見えない微妙な点がたくさんある」と指摘しています。質量の 1 オンス、および素材間の相互作用の可能性は、すでに気が遠くなるほど複雑なシステムに複雑さを追加します。それでも、これが宇宙服の未来です。アポロ時代の装備の段階的なアップグレードではなく、複数の研究の最前線が提供する最高のものです。宇宙飛行士が太陽系を真に探査できるかどうかは、エンジニアが自由に使える素材によって決まります。それらの素材の中には、宇宙では決して機能しないものもあります。しかし、機能するものは、象徴的な数歩の足踏みと、1 億マイルの飛行に値するウォーキング ツアーの違いを意味する可能性があります。

Erik Sofge はマサチューセッツ州から科学、テクノロジー、文化について執筆しています。

次のページでは、未来の宇宙服について詳しく見ていきます。

未来のスーツ

宇宙飛行士が深宇宙を探索するには、宇宙服はよりスマートで、よりスマートで、はるかに操作性に優れていなければなりません。これを実現できる材料の多くは現在研究室にあります。
—エルバート・チュー

カスタムフィット
将来の宇宙服では、ガスによる加圧の代わりに、ボストンに拠点を置くミデ・テクノロジー社製のニチノールワイヤーの編み込みなどの形状記憶合金を使用して、一定の機械的反圧をかけることになるかもしれない。この合金は熱処理され、宇宙服着用後に宇宙飛行士にぴったりフィットするだけでなく、動きにも順応する。

拡張視覚
現在、宇宙飛行士はプラスチック越しに外を覗いているが、将来のバイザーは防弾ガラスよりも薄く、3倍の強度を持つALONと呼ばれる透明セラミックで作られる可能性がある。F-16パイロットが使用するLumus Opticalのヘッドアップディスプレイは、光学プリズムで目に光を導くフルカラーディスプレイとして宇宙ヘルメットに移行する可能性がある。

フォームバッファー
体の凹んだ部分には、スーツの反圧を調節するために別の形状記憶素材が必要になるかもしれない。シラキュース・バイオマテリアル研究所は、この技術の基礎を開発した。それは、電気で活性化すると熱を発生し、フォームをあらかじめ設定された形状に膨張させるカーボンナノファイバーである。

冷却システム
現在のスーツは、300フィートのチューブを通して水を循環させ、体の熱を奪います。パーデュー
大学のエンジニアたちは、チューブを絶縁し、電力も生成できる技術を開発した。それは、熱を吸収して電気を放出する熱電ナノ結晶でコーティングされたガラス繊維（将来的にはポリマー）である。

保護シェル
機械的な反圧による誤った圧迫は、重要な臓器を損傷する恐れがあります。硬くて完全に加圧されたシェルは、宇宙飛行士の動きを制限することなく保護を提供します。かさばりを最小限に抑え、硬い素材と柔らかい素材の接触点を快適に保つために、各シェルはユーザーに合わせて 3D プリントされます。

自己修復グローブ
これまでのところ、破れたスーツや手袋に対する最善の防御策は、より強力な層で補強することです。ILC Dover のエンジニアは、より優れたアプローチを研究しました。それは、マイクロカプセル化された化学物質が埋め込まれたポリマーなどの自己修復素材を組み込むというものです。カプセルが破れると、化学物質が泡立ち、破れたスーツを修復します。

究極の断熱
約 95 パーセントが空気でできたシリカ エアロゲルは、激しい温度変化から体を守ります。アクロン大学の研究チームは、シリカ ナノスケルトンを柔軟なポリマーでコーティングすることで、宇宙でも耐えられるほど耐久性と柔軟性に優れたエアロゲルを作りました。また、埋め込まれた水素が危険なレベルの放射線を遮断することもできます。

人工重力
低重力に長時間さらされると骨密度が低下し、筋肉が萎縮するが、宇宙飛行士は毎日2.5時間の運動でこれを防ぐ。ドレイパー研究所で開発された装置は、宇宙服にフィットネス機能を組み込むことができる。腕と脚に取り付けたジャイロスコープは、地球上の重力と同じような抵抗力を生み出すことができる。

接着強度
マサチューセッツ大学で開発された乾燥接着剤は、宇宙服に戦略的に配置され、宇宙飛行士が表面や道具にしっかりと固定するのに役立つ可能性がある。カーボンファイバーとケブラー繊維の織り方はヤモリの足の皮膚と腱の構造を模倣しており、これまでにない強度を備えているが、表面からは簡単に剥がれる。

追加パワー
生命維持装置に電力を供給するバッテリーは繰り返し充電する必要がある。ミシガン工科大学で開発中の酸化亜鉛ナノワイヤーは、動きを電気に変換することができる。このような圧電ワイヤーを膝や肘の上の布地に埋め込むと、宇宙で貴重な冗長性を提供できる可能性がある。