月や火星を目指す有人宇宙船にふさわしい素材を発見

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地球の磁場を離れて宇宙放射線が強い環境に宇宙飛行士を運ぶ宇宙船の材料には、従来のアルミニウムよりも炭素繊維強化プラスチックなどの複合材料が向いているようだ。

【2021年9月15日 量子科学技術研究開発機構

現在、宇宙における有人活動はもっぱら国際宇宙ステーション(ISS)の周りに限定されている。地表から約400kmの位置にあるISSは、地球の磁場によって地球外から飛来する放射線からある程度守られており、被曝量は年間にして約200mSvとなっている。これは地上における平均被曝量の100倍程度だが、地球の磁場を離れるとさらに100倍以上になると考えられる。

将来、宇宙飛行士を月や火星に届ける際はこの被曝量が問題となる。たとえば、月面での被曝は年間420mSv程度と試算されていて、火星へは往復するだけで被曝線量が660mSvに達すると報告されている。現在の宇宙船の主な材料であるアルミニウムは、機械的強度や加工性に優れているものの、宇宙放射線を遮る効果は小さい。

量子科学技術研究開発機構の内藤雅之さんたちの研究チームは、放射線を遮断するという観点からアルミニウムに代わる新素材の探索を進めてきた。内藤さんたちが注目したのは、近年自動車や航空機に採用されている炭素繊維強化プラスチックなど、複数の素材を組み合わせることで強度と軽量性を両立した「複合材料」だ。

地上における代表的な放射線であるガンマ線を遮るには、鉛のような重金属が使われている。しかし宇宙放射線の主成分である荷電粒子を遮るにはアルミニウムのような金属はあまり有効ではなく、むしろ水素を多く含む軽量な素材の方が向いているとされる。これは、水素原子は他の原子と比べ、質量あたりの電子の数が多く、それによって荷電粒子を減速させる効果が高いためだ。この観点からいえばポリエチレンのようなプラスチックは遮蔽効果が高いが、単体では強度が足りないので、複合材料が選ばれた。

研究チームは重粒子線がん治療装置を用いて、8種類の複合材料の放射線遮蔽効果を測定した。8つの複合材料、および比較用のアルミニウムとポリエチレンに対して、宇宙放射線を模擬した粒子線(陽子、ヘリウム、酸素、シリコン、鉄)を照射したところ、複合材料が粒子線を止める度合いはアルミニウムとポリエチレンの中間程度であることが確認された。

粒子線照射実験結果の一例
粒子線照射実験結果の一例(Al:アルミニウム、PE:ポリエチレン、PP:ポリプロピレン、等)。(a)試験材料の遮蔽厚さ(g/cm2)に対する陽子線の相対線量の変化=材料中での陽子線の止まりやすさを表したもの。ピークの位置が左に来るほどその材料の減速効果が高いことを示す。アルミニウムが最も止まりにくく、ポリエチレンが最も止まりやすく、複合材料は概ねその中間程度とわかる。(b)鉄イオン(宇宙放射線の主成分中で最も重い粒子で、人体に与える粒子当たりの影響が最も大きい)の材料中での壊れやすさを表したもの。傾きが急なほど、鉄イオンが壊れやすいことを示す。アルミニウムで最も壊れにくく、ポリエチレンで最も壊れやすく、複合材料はポリエチレンに近い壊れやすさであることがわかる。画像クリックで拡大表示(提供:量子科学技術研究開発機構リリース、以下同)

また、宇宙空間で起こると想定される粒子線と試験材料との相互作用を数値シミュレーションを用いて計算した結果、複合材料はアルミニウムに比べて、人への影響が高い重粒子線に対する遮蔽効果が30~60%高いことが確認された。

複合材料の相対遮蔽効果
アルミニウム(左端)と比較した、複合材料の相対遮蔽効果

ISSへ物資を届けていた日本の補給船「こうのとり」はアルミニウムで作られていたが、これを同じ質量の複合材料に置き換えれば放射線遮蔽効果が2割程度高くなると推計され、宇宙空間での被曝線量をほぼ半減できることがわかった。また、厚さを変えずに置き換えた場合には、アルミニウムの場合と同等の遮蔽効果を得ながら、総重量を4割程度削減できることもわかった。

宇宙での有人活動は、月や火星等へと移りつつある。また民間企業による宇宙旅行が続々実現するなど、宇宙空間が身近なものになりつつある。今回の研究は、宇宙船の積載重量や体積に厳しい制約のある中で、複合材料を用いることで、宇宙放射線による被曝線量を低減できる可能性を示すものであり、深宇宙探査用の宇宙船開発に関わる重要な知見と言えそうだ。

船外活動を行う星出さん
9月12日「宇宙の日」から13日にかけてISS船外活動を行った星出彰彦宇宙飛行士。通算4回目の船外活動で総時間は28時間17分となり、日本人の最長記録を更新した。宇宙船の内外における安全向上は常に研究が続けられている(提供:NASA

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