宇宙実験は「暴露」されることを恐れません、あなたはいくつのトリックを知っていますか？

最近、中国の宇宙ステーションの宇宙放射線生物学曝露実験装置がロボットアームで掴まれ、孟天実験モジュールの貨物エアロックから降ろされ、船外曝露プラットフォームに設置された。電源が入り、正常に動作しました。私たちの共通の宇宙実験は通常、厳重に保護された宇宙船のキャビン内で行われます。一部の実験を宇宙環境にさらす必要があるのはなぜですか?これらの実験の何が特別なのでしょうか?それはどのようなユニークな価値を持っていますか？

暴露実験には細心の注意が必要である

暴露実験とは、その名の通り、実験材料をある特殊な環境にさらし、実験材料にどのような特殊な変化が起こるかを観察することです。船外曝露実験とは、宇宙船のキャビン外の宇宙環境に実験材料を曝露し、複雑かつ多様な宇宙影響要因を利用して実験材料の微妙な変化を観察することを指します。このプロセスでは、宇宙飛行士と地上チームが実験データを十分に収集し、サンプルの変化のメカニズムを分析し、その背後にある法則を解釈します。

宇宙放射線生物学装置は孟天キャビン曝露プラットフォームに設置されている

宇宙ステーションなどの宇宙船は宇宙環境に浮かんでおり、科学実験に最適な微小重力環境を提供し、地上では完了することが困難な多くの実験を完了することができます。しかし、いくつかの実験目的にとって、微小重力環境は十分ではなく、より真空に近い条件が必要になります。宇宙飛行士の健康を維持するために、宇宙ステーション内の気圧は地球の海面と同程度に維持されており、空気の組成も地球の大気と似ています。

同様に、宇宙飛行士の生命と健康を脅かす放射線源を宇宙ステーション内に長期間維持することは不可能であり、特定の実験の放射線要件を満たすこともできません。そのため、研究者たちは、より「極端な」要件を伴う特別な宇宙実験を実施するために、宇宙ステーション用の船外曝露プラットフォームを設計した。

では、こうした宇宙実験にはどのような特別な要件があるのでしょうか?

まず、地表でシミュレートすることが基本的に不可能な外部宇宙環境を活用する必要があります。宇宙はしばしば「真空」と呼ばれますが、実際には空ではありません。宇宙ステーションが位置する低軌道には、最小直径がわずか数ミクロンの微小隕石から、大気圏の端で生成される原子状酸素、計り知れないほどの有害な放射線まで、あらゆる種類の複雑な物質が存在し、それらはすべて実験材料の特性の変化の前提条件となります。

第二に、これらの実験は宇宙飛行士の操作にあまり依存しません。宇宙環境は人体にとって過酷すぎるため、宇宙飛行士は船外活動を行う前に複雑な生命維持機能を備えた船外宇宙服を着用しなければなりません。さらに、ミッションの間隔や時間は厳しく制限されており、頻繁に船室から出て実験装置や材料の世話をすることは不可能です。

最後に、実験装置は可能な限り信頼性を確保し、全体的な効率を向上させる必要があります。宇宙飛行士はケアのために頻繁に船室を離れることができず、ロボットアームの動作にも制限があるため、より多くの宇宙実験をより長い期間にわたって実施できるように、船外曝露プラットフォームや実験装置の設計時にはさまざまな予想外の要因を事前に考慮する必要があります。

例えば、我が国の宇宙放射線生物曝露実験装置は、生物材料を搭載したサンプルボックスユニット 13 個で設計されています。約5年間稼働し、複数の科学実験プロジェクトにサービスを提供する予定です。

海外での実践は実りある成果をもたらした

海外の航空宇宙産業では、船外曝露実験が何十年も行われており、多くの有意義な経験と成果が得られています。

1970 年、NASA のラングレー研究センターは特別な科学実験衛星の設計を開始しました。 14年間の実証と開発を経て、この衛星は直感的に「長期曝露施設」と名付けられました。スクールバスほどの大きさで、1984年4月6日にチャレンジャー号スペースシャトルによって宇宙に打ち上げられました。これは現在までに船外曝露実験専用の唯一の衛星となった。

計画では、衛星は約1年半の軌道上での運用後に地上に帰還する予定であったが、1986年初頭のチャレンジャー号スペースシャトルの不幸な事故により、帰還時期は何度も延期され、1990年初頭にコロンビア号によって軌道から帰還した。延長運用中、衛星は材料と設計の信頼性を検証し、複数の国からの実験材料（トマトの種子から宇宙船のコーティングまで）を使用して合計57回の実験を完了し、多種多様な実験結果が得られた。

結局のところ、衛星の積載量は限られており、宇宙ステーションは専門的な宇宙実験室なのです。 1990年代、ロシアのミール宇宙ステーションでは、アメリカの航空宇宙専門家が「ミール環境影響ペイロード」と呼ばれる特別な船外曝露プラットフォームを開発し、1996年3月27日にアトランティススペースシャトルによって宇宙に運ばれ、ミール宇宙ステーションの外側で約1年間稼働しました。

上記2つのプラットフォームでは多くの実験成果が得られ、国際宇宙ステーションの設計と改良に大きく貢献しました。現在、国際宇宙ステーションには、ESAのコロンバス実験モジュール、日本のホープ実験モジュール、ロシアのズヴェズダコアモジュール、およびフレーム構造の4つの専門的な船外曝露プラットフォームがあります。

しかし、これら4つのプラットフォームで行われた宇宙曝露実験は、各国の研究機関によって個別に実施された。これにより柔軟性と多様性は確かに向上しましたが、リソースの協調的使用に関しては残念な点も残りました。

神舟16号の乗組員は、ペイロードをペイロード転送機構に取り付けた。

新素材から生物学まで

船外曝露実験では具体的に何ができるのでしょうか?宇宙環境の特性と比較的独立した運用を考慮して、主に材料実験と生物学的実験の2つのカテゴリが含まれます。

微小隕石、原子状酸素、さまざまな宇宙線は、金属やプラスチックなどの材料に対して極めて強い腐食作用と変性作用を及ぼし、材料に複雑な物理的・化学的変化を引き起こし、その本来の特性を失わせます。

研究者は、宇宙の「風雨」に完全に耐えられるよう、キャビン外の曝露プラットフォームに一連の材料を配置し、その後、テストのために回収することで、これを活用できる。材料の最終状態を研究することで、研究者は材料の耐食性を判断し、ターゲットを絞った最適な方法で材料を開発し、より耐食性の高い新しい材料を合成することができます。

宇宙は必ずしも生命にとって禁断の領域ではありません。船外曝露プラットフォームでは、さまざまな重要な生物学的実験も実施できます。

例えば、古代の微生物であるシアノバクテリアは地球の生態系にとって非常に重要です。宇宙でも同様の役割を果たすことができるのでしょうか?研究者らは、シアノバクテリアのサンプルを一定期間曝露プラットフォーム上に置いた後、その遺伝子配列を宇宙ステーションと地球上の対照群の遺伝子配列と比較・分析し、「遺伝子発現」と生理学的形態に根本的な変化があったかどうかを観察した。

将来、人類は月や火星に基地を建設することが予想されており、それには必然的に自給自足できる地球外生態系の構築が必要となる。酸素を生成できるシアノバクテリアなどの微生物が、これに大きな役割を果たすと考えています。

ペイロード終了画面

公開情報によると、わが国の宇宙放射線生物学曝露実験装置は、植物の種子、微生物、小動物などに対する軌道上実験に使用でき、人体や生物への放射線被害、遺伝的変異、放射線防護薬の調製、放射線リスク生物学評価などのサービスを提供する。これは、中国の宇宙飛行士の軌道上での長期生存と有人月面着陸にとって大きな意義を持つ。

例えば、将来的に月や火星で「野菜栽培の才能」を活用したい場合、最も優れたものから最も優れたものを選び、高放射線環境や微小重力環境に適応した新しい品種を栽培する必要があるでしょう。国際宇宙ステーションでは、多くの植物種子の船外曝露実験が完了しています。我が国の宇宙ステーションが応用開発の新たな段階に入るにつれ、ますます斬新で多彩な生物学的船外曝露実験が行われるようになると信じています。

もちろん、船外曝露プラットフォームは、これらの実験以外にも多くのことを行うことができます。適切な搭載物を搭載することで、宇宙放射線医学・防護実験、宇宙放射線資源の開発・試験、生命の起源と進化など最先端の研究をここで行うことができます。これらは、この「宇宙の前哨基地」である宇宙ステーションが人類に継続的に貢献してきたことです。 （著者：石小龍、レビュー専門家：中国航天科学技術集団科学技術委員会副委員長江凡）