長期にわたる宇宙ミッションに人工重力が必要な理由

あなたが車や他の機械の中にいて、非常に速く回転し、その力で体が壁や座席に押し付けられると想像してください。スピンがますます速くなると、壁に押し付けられる圧力が増加します（逆に、スピンが遅くなると圧力は減少します）。このようにして人工重力を作り出すのです。その重さは、体を地球に接地させ続ける重力と同じように感じられます。

あなたがほとんどの人と同じなら、この種の回転力による最も劇的な経験は、おそらく遊園地の乗り物によるものでしょう。具体的には、19 世紀半ば以来、多大な喜び (そしてはい、嘔吐) を生み出してきた古典的な乗り物です。 。しかし、宇宙飛行士や軍のパイロットを含む少数の人々は、加速度とも呼ばれるこれらの高い「G 力」を生み出すために回転する機械である人間評価の遠心分離機で同じ現象を経験します。

彼らは、高性能航空機に乗って、高速旋回中、宇宙への打ち上げ中、および宇宙船が地球の大気圏に再突入する際に急速に減速するときに、このG 力を経験します。この記事では、ローター ライド以降、人工重力がどこまで進歩したか、そしてこの有望な技術にどのような将来が待ち受けているかについて探っていきます。

人工重力とは何ですか?

非常に現実的な意味では、この種の回転は重力、正確に言えば人工重力を生み出します。それはあなたの体に重みを与えます。骨や筋肉の重さは、地球や他の惑星がその質量のために与える重さと区別できません。

その結果、SF 作家たちは何十年もの間、宇宙ミッションの最長段階で宇宙飛行士に人工重力を生み出す回転宇宙船を構想してきました。これらの段階は、船が速度を上げるために加速したり、大気圏で減速したりするため超重量ではないが、重力の影響を打ち消して惰性で進むため無重力の状態です。たとえば、国際宇宙ステーションは、同様の効果をもたらすために地球低軌道の微重力環境に依存しています。

SF におけるこのような人工重力の 2 つの例は、2015 年の映画「火星人」と 1968 年の大作「2001 年宇宙の旅」です。 「火星人」は、地球と火星の間を旅する際に回転する大きな車輪型の部分を備えた惑星間飛行船ヘルメス号を特徴としています。カメラがズームインすると、エルメス内の宇宙飛行士にとって「上」は常に車輪の中心に向かっており、「下」、つまり「床」はリムにあることがわかります。この遠心力と等加速度の概念は、『2001年宇宙の旅』の宇宙ステーションVにも適用されており、月の重力と同等の人工重力を発生させる回転宇宙ステーションである。

人工重力環境における健康上の利点

単なる快適さ以外にも、長距離宇宙ミッションに人工重力が必要な理由があります。まず、無重力状態では、宇宙飛行士が火星などの目的地に到着するとき、または地球に帰還するときに、私たちの体に悪影響を与える可能性があります。

骨はミネラル含有量を失い、本質的に柔らかくなり、骨折しやすくなります。筋肉も縮んで弱ってしまいます。頭部に向かって排出され、体からも排泄され、心血管系や肺に変化を引き起こします。その間、 は故障してしまいます。

近年、宇宙医学の研究者らは、一部の宇宙飛行士の体内に存在する可能性のある物質を発見した。さらに、研究では、人間が宇宙で正常に妊娠するには重力が必要である可能性があることが示唆されています。したがって、人間を乗せて太陽系を周回する宇宙船が回転するか、船の一部が回転する必要があるのは、ほとんど当然のことのように思えます。

人工重力の研究

NASA などは人工重力を作り出す可能性を研究していますか?答えは「はい」です。 1960 年代以来、NASA の科学者は回転による人工重力の可能性を検討してきました。しかし、努力、資金、そして全体的な熱意は、数十年にわたって増減を繰り返してきました。 NASA が人類を月に送ることに取り組んでいた 1960 年代に研究が急増しました。 (注: 当時の NASA の予算は連邦政府全体の 5% 近くであり、今日の 10 倍でした。)

NASAは過去半世紀にわたって人工重力の研究を重視してこなかったが、宇宙機関の内外の科学者はさまざまな状況を研究している。たとえば、国際宇宙ステーションに搭載された小型遠心分離機は問題なく稼働しました。

一方、地球に縛られた人類は、回転する部屋で無重力に適応する方法を学んでいます。ブランダイス大学には があり、ドイツのケルンにある DLR 航空宇宙医学研究所には の本拠地があります。同社は、重力の変化が人体に及ぼす影響、特に微小重力下で発生する健康リスクに関する研究を行っている。

なぜ回転する宇宙船がないのでしょうか?

しかし、人工重力の必要性がこれほど明らかであれば、なぜわざわざ宇宙や地球で研究する必要があるのでしょうか?なぜエンジニアはエルメス号のような遠心力で回転する船の設計に取り掛からないのでしょうか?

答えは、人工重力にはトレードオフが必要であり、その回転が問題を引き起こすからです。ローターライドと同様、高速回転中に頭を動かすと吐き気が起こります。回転する宇宙船に乗っているときも、ひどいカーニバルに乗っているときも、回転は内耳内の液体や、体を動かす他の部位にも影響を与えます。

さらに、回転数 (1 分あたりの回転数 [RPM]) が速くなるほど、吐き気、見当識障害、動作の問題が悪化します。しかし、生成できる人工重力の量は、回転数と回転しているもののサイズの両方に依存します。基本的には、対応できる速度よりも速い回転速度が必要です。

深宇宙ミッションの信じられない挑戦

一定量の重力（たとえば、地球上で通常感じる量の半分）を経験するには、回転半径（床に立っている人から回転しているものの中心までの距離）の長さが、どのくらいの速度で動くかを決定します。回転する必要があります。 (225 メートル) の車輪の形をした宇宙船を構築すると、わずか 1 RPM で回転する完全な地球重力 (1G として知られる) が発生します。コリオリの力の要件をかろうじて満たしていますが、その速度は十分に遅いため、科学者は誰も吐き気を催したり方向感覚を失ったりすることはないと確信しています。

床が少し湾曲していることを除けば、このような回転する乗り物に乗っているものはごく普通に感じられるでしょう。しかし、このような巨大な構造物を宇宙で構築して飛行させるには、工学的に多くの課題が伴います。これは、NASA や、将来的に太陽系の周りに人々を派遣する可能性のあるその他の宇宙機関や組織は、より低い重力、より速い自転 (より多くの RPM)、あるいはその両方を採用する必要があることを意味します。

月の重力が地球表面の約 16% である月の研究室は、無重力状態ではなく低重力の影響を研究するのに最適な場所です。残念ながらその研究室は存在しません。さらに、人間が長期間のミッションやスペースコロニーにどれだけの重力を必要とするかを知るのに十分なデータがまったくありません。人間がどの程度の回転を合理的に許容できるかに関するデータと同様に、そのようなデータが必要であり、それが人工重力を生成する方法の研究を続ける根拠となる。