もっと多くの人が宇宙に滞在したい場合、どのような問題を解決する必要がありますか?

2023年5月30日、長征2Fロケットが神舟16号有人宇宙船を宇宙に運びました。神舟16号の宇宙飛行士乗組員が宇宙に進出したことで、中国の宇宙ステーションや低軌道の国際宇宙ステーションなどの宇宙船に搭乗した宇宙飛行士の総数は17人となり、史上同時に宇宙空間にいた宇宙飛行士の最多記録を樹立した。同時に、宇宙観光も本格的に発展しており、海外では商業宇宙ステーションの建設も準備が整っています。将来的には軌道上で働き、生活する人がますます増えると言えるでしょう。

神舟15号と神舟16号の乗組員、合計6人の宇宙飛行士が「宇宙で力を合わせる」

軌道上でより多くの人々をサポートするために、研究者はどれだけの技術的な困難を克服する必要がありますか?

宇宙関連のキャリアを達成する人が増える

「空を飛ぶという夢は決して軽くなることはなく、科学の夢には限りない緊張がある。」これは、宇宙の神秘を探求するために宇宙教師が若者に蒔いた「種」であるだけでなく、軌道上のプロの宇宙飛行士の仕事と生活を生き生きと描写したものでもあります。宇宙飛行士は、宇宙科学教育活動を行うほか、ランデブーやドッキングに細心の注意を払い、慎重な船外活動を実施し、広範囲にわたる宇宙物理学実験や宇宙医学実験を行うことが求められます。軌道上の人の数が増加している大きな理由は、宇宙ミッションがますます複雑になり、人員の需要が大幅に増加していることです。

国際宇宙ステーションは7人の長期滞在をサポートするように設計されており、かつては短期間で13人を収容した記録を樹立したこともある。国際宇宙ステーションは、2010年に完全に建設され運用が開始されて以来、何百人もの訪問者を迎えており、その多くは宇宙科学ペイロードの専門家や航空宇宙エンジニアです。

国際宇宙ステーションはかつて、短期間に13人を収容するという記録を樹立した。

彼らの中には、生物医学実験を積極的に実施し、宇宙飛行条件下での動物、植物、微生物、細胞の生命活動を研究し、生物組織の破壊と再生の特性に注目している者もいます。宇宙飛行が人間の染色体テロメアや認知能力、遺伝子発現などに与える影響を研究し、生命科学の分野で最先端の成果を上げている人もいます。宇宙で食糧作物を栽培し、食糧不足の緩和に貢献しようとしている人や、「無重力が醸造技術に与える影響を研究している」と主張して、宇宙にワインを数本持ち込む人さえいる。

さらに、宇宙飛行士は、冷却や通信システムの部品の交換、宇宙望遠鏡の保守・組み立てなどの船外活動など、軌道上での多くの工学技術応用研究を行ってきました。宇宙ステーションには高度な自動化システムが装備されていますが、宇宙飛行士は予期せぬ状況にもよりうまく対処することができます。ミール宇宙ステーションでは以前火災が発生したが、宇宙飛行士のおかげで火は時間内に消し止められ、空気の組成は正常に回復し、いくつかの機器が修理された。

ミール宇宙ステーションはかつて火災の危険に遭遇した

つまり、複雑な業務には宇宙飛行士の参加が必要であり、将来的にはさらに多くの宇宙飛行士が新しい分野の業務に従事することになるだろう。宇宙観光の人気が高まるにつれ、軌道上の人の数が過去最高に達しただけでなく、観光客の安全と楽しみを確保するために、プロの宇宙飛行士がより細かく些細な事柄を担当する必要が出てきました。

高い要求に応える技術サポート

より多くの人を軌道上に維持したい場合、第一条件は当然、地上と空の間の有人往復輸送であり、「安全性」という指標が最も重要です。特に注目すべきは、宇宙飛行士が宇宙で事故に遭遇した場合、既存の軌道上医療救助条件は結局のところ限られているということだ。したがって、「最も安全」な原則では、宇宙ステーションはいつでも宇宙飛行士を地上に帰還させることができることが求められます。

軌道上にいる宇宙飛行士の数が増えるにつれて、地上で準備する必要のある緊急救助宇宙船の数も増えます。待機中の安全性と信頼性を確保することが重要です。現在、有人宇宙船は一般的にローリング救助待機と通常飛行ミッションの運用モードを採用しており、地上での各宇宙船の待機時間が長くならず、基本的に同じであることを確保し、宇宙船の長期保管によって引き起こされる可能性のある一連の隠れた危険を回避しています。

また、生活必需品や身の回りの品は主に貨物宇宙船によって宇宙ステーションに届けられます。ご存知のように、宇宙打ち上げの分野には「1グラムの重さは1グラムの金」という格言があり、宇宙輸送能力が極めて貴重であることを示しています。

貨物宇宙船には、生活必需品、宇宙飲料水、ガス供給、実験ペイロード、宇宙ステーションの推進剤補充など、さまざまなペイロードが搭載されています。軌道上の宇宙飛行士の数が増えるにつれて、地上の貨物補給への依存度が高まります。そのため、貨物宇宙船の輸送効率を向上させることが技術的な難しさであり、改善の重要な方向性となっている。

米国のシグナス貨物宇宙船が故障しながらも物資を輸送

現在、各国の貨物宇宙船は、複合材料の追加、船体構造とデッドウェイト制御の最適化、推進剤のエネルギー変換効率の向上、軌道投入精度の向上などの方法を広く採用しており、貨物宇宙船はアップリンク貨物比率、迅速な輸送、推進剤補充の面で任務をよりよく遂行できるようになっています。

宇宙飛行士の軌道上での長期にわたる作業と生活を支える最も重要な技術サポートは、宇宙ステーションの環境制御および生命維持システムです。過酷な宇宙環境において、宇宙ステーションには断熱、耐熱、衝撃保護、放射線保護、温度調節、圧力調節などの複数の保護機能が備わっています。宇宙ゴミ、宇宙線、異常放射線の影響に耐え、宇宙飛行士の宇宙生活のための強固なバリアを構築できます。

軌道上に留まる宇宙飛行士が増えるにつれて、生命維持システムに対する要求も高まります。従来よりも数倍の酸素と水の生成、より多くの二酸化炭素の除去、有害ガス、微生物、粉塵の追跡、温度、湿度、気圧の調整をより正確かつ迅速に行う必要があります。

現在の宇宙ステーションでは、電気分解酸素製造技術によって宇宙飛行士に酸素を供給することができ、二酸化炭素削減技術によって宇宙飛行士が吐き出した二酸化炭素を巧みに水に変換し、さらに処理することで日常的に飲める水にすることができます。

宇宙飛行士が中国の宇宙ステーションに二酸化炭素削減装置を設置

効率的で信頼性の高い環境制御および生命維持システムは「無限に」動作し、補給のための貨物宇宙船への依存を効果的に低減すると言えます。軌道上でより多くの人々を支援するためには、その拡張とアップグレードが不可欠です。

複数の分野でのイノベーションの明るい展望

伝統的に、宇宙船やロケットは基本的に使い捨てであり、全体的なコストが高くなります。ロシアの有人宇宙船「ソユーズ」シリーズの各ミッションには約1億ドルの費用がかかり、その高額な費用が人類の宇宙探査を制限する重要な要因となっている。

科学技術の進歩に伴い、ロケットや宇宙船の回収・再利用技術は航空宇宙研究のホットな話題となり、徐々に成熟してきました。簡単なメンテナンスを行うことで、航空宇宙機器を何度も使用できるようになり、打ち上げコストが大幅に削減されます。低コストの再利用可能な技術が航空宇宙分野でより広範囲な実用化を達成すれば、より多くの宇宙飛行士が宇宙に旅することに役立つことは間違いないだろう。

リサイクル可能なロケットと宇宙船は有人宇宙ミッションのコストを大幅に削減するだろう

宇宙ステーションは運用中、薄い大気と太陽風の抵抗の影響を受け、軌道が常に低下しています。宇宙ステーションの軌道を上げ、正常な動作を維持するには、大量の燃料が必要です。また、宇宙ステーションの運用においては、ランデブー・ドッキング、宇宙遊泳などの作業に協力し、適時に軌道変更や姿勢調整を行う必要があります。当然のことながら、こうした軌道操作は貴重な宇宙ステーションの推進剤を消費するため、宇宙船を推進するための新しい技術を研究する必要があります。

近年、グリッドイオンスラスタやホールスラスタが徐々に実用化されてきました。最新の研究結果によると、アルゴン推進剤を使用した無電極プラズマ推進装置の変換効率は約30％に達しています。

プラズマスラスタとホールスラスタは宇宙船で広く使用されている。

近い将来、より先進的な推進技術が宇宙探査に応用され、より効率的でエネルギー消費が少なくなり、同じ量の推進剤でより大きな宇宙船を支え、より多くの宇宙飛行士を長期間軌道上に収容できるようになると私は信じています。

現在、宇宙飛行士は宇宙への物資の輸送に主に貨物宇宙船に頼っています。地上の科学研究者は宇宙飛行士が健康的な食事をとれるよう最善を尽くし、多種多様な食品が宇宙飛行士の食事に加えられていますが、それでも1年ほど宇宙で生活するとなると、缶詰やゼリー状の食品を頻繁に食べることは避けられません。

しかし、心配する必要はありません。宇宙植栽実験は着実に成果を上げています。宇宙飛行士は宇宙で野菜や果物を自ら育て、新鮮な食材を味わうことが多いため、宇宙での作業環境や生活環境はより良く保たれるはずです。

中国の宇宙ステーションにおける稲の成長過程

もちろん、宇宙での植物栽培や軌道上の宇宙飛行士の増加により、環境制御システムや生命維持システムに対する要求はより厳しくなります。制御精度、監視指標、エネルギー消費レベル、耐用年数など、これらはすべて将来の改善に向けた方向性です。

さらに、軌道上の人々の数が増えるにつれて、温度、湿度、照明、さらには重力に対する要求も徐々に多様化、個別化していきます。環境制御システムや生命維持システムの技術レベルは必然的に向上し、宇宙飛行士が軌道上でメンテナンスやデバッグ作業を行うことが許可される可能性も高い。

軌道上に滞在するプロの宇宙飛行士や宇宙旅行者の数は増加しており、航空宇宙研究者に大量の生データを提供しており、将来の地球外物体や深宇宙の探査のための貴重な経験が蓄積されると期待されています。将来、宇宙飛行の「敷居」が下がることで、より多くの人が宇宙の美しさを直接体験できるようになり、宇宙での仕事や生活がより充実することで、人類の宇宙探査もさらに進むことになるでしょう。

この記事の元のタイトルは「軌道上の人が増えるにつれて、技術的な問題はどれくらいあるか？」で、2023年版のSpace Exploration誌に掲載されました。