警報が鳴る頃には、彼は立ち上がっていた。探査車が撮影していないことを願っていたが、撮影されていたことは分かっていた。フォボスの地表で顔から転げ落ちた自分の姿が後世に残る記録となったのだ。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。宇宙服破損。彼の体、あるいはそのほんの一部が、火星の衛星の冷た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様々ですが、減圧は中でも最も恐ろしいものの一つです。宇宙服に穴が開いた場合、体を包んでいた純酸素の膜が破れ、低酸素症で意識を失う前に、避難場所へと急行しなければなりません。急激な圧力低下は爆発的なものではありません。しかし、恐ろしいものです。体内の水分が蒸発し、外に逃げ出そうとします。肺が虚脱し、循環が停止します。
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。むしろその逆、スマート形状記憶合金の格子構造で体に密着するスクイーズスーツだ。酸素クッションの代わりに、直接的な機械的な反圧をかける。その結果、体にぴったりフィットし、機敏な動きが可能になり、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距離が延びる。そして、万が一破裂した場合でも、スーツは機能を果たす。宇宙探検家のエース包帯に相当するもので、その場で補修できる。スーツ自体の形状記憶合金がしっかりと引っ張ることで、破裂箇所を塞ぐのだ。
パッチが貼られる頃には、警報は鳴り止んでいた。表皮バイオセンサーと経路計画アルゴリズムのおかげで、宇宙飛行士の月面横断距離は、当初の6マイル（約9.6キロメートル）からわずか4マイル（約6.4キロメートル）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センターに電話して、この近道に異議を唱えるだろう。ひどい痣が彼の命取りになることはない。それに、故郷から1億マイル（約1億キロメートル）も旅して、今引き返すわけでもない。
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人類が太陽系のさらに奥深く、小惑星、火星の衛星、あるいは火星自体へと進むには、新たな宇宙服が必要となる。深宇宙を旅し、異星の表面を容易に移動し、様々な致命的な危険から生き延びることができる宇宙服だ。「ガス加圧宇宙服に小さな穴が開いたら、それは重大な緊急事態です。ミッションは終了です。一刻も早く安全な場所に戻りましょう」と、MITの技術政策プログラムディレクターで航空宇宙生物医学エンジニアのダヴァ・ニューマン氏は語る。
今日の最も高度な宇宙服でさえ、低軌道での使用に限られており、宇宙船から脱出できるように設計されたものは一つもありません。NASAは1986年のチャレンジャー号の事故後、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、先進型クルー脱出スーツ（ACES）の使用を開始しました。しかし、このスーツは任務遂行にほとんど適していませんでした。シャトルの操縦装置はスーツ操作を想定して設計されていなかったため、パイロットはかさばる手袋を着けずに飛行することが常態化しており、急激な圧力漏れの危険にさらされていました。この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固定するだけの、場当たり的なものでした。シャトル計画が終了した現在、宇宙飛行士は1973年に導入されたロシア版ACESを着用しています。
NASAのもう一つの宇宙服、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と言えるでしょう。宇宙遊泳の際に着用され、初めて宇宙空間に触れたのは1983年です。その素材の大部分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ドーバー社は自己修復ポリマーの実験を行っており、NASAは超薄型断熱材としてエアロゲルなどの先進素材の開発を推進してきましたが、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、世界中の研究所で熟成されている豊富な材料や設計に頼って、使い古しのものに甘んじる必要はない。軌道上および弾道軌道上の打ち上げを民間企業が独占する日が近づき、火星への有人着陸の指令が初めて発令される中、今後さらに多くの人々が宇宙へ行き、中には長距離を旅する者もいるだろう。彼らは安全を守るだけでなく、彼らの野望に応える宇宙服を必要としている。
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発射服
最初の新型宇宙服は、ACESの簡素化された後継機となるが、鋭い目を持つミサイルマン向けではなく、数十万ドルもの費用をかけて宇宙へ送り込まれた新たなパイロットや乗客のために設計される。船内活動服または打ち上げ突入服と呼ばれるこれらの宇宙服は、宇宙産業における降下式酸素マスクであり、その真の機能（与圧とある程度の生命維持機能を含む）は緊急時に作動する。
宇宙服メーカーとの最初の契約では、スペースXは、与圧服が「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もあり、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は、スペースXは、与圧服が「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、このような言い方はしない」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、それが気に入っている。」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組み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だけの十分なスペースが必要で、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「Kickstarter」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・デザインの共同創業者、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、パターン化によってフィット感を向上させたいと考えている。「正直に言って、それが鍵だと思います」と彼は言う。「擬人化されていればいるほど、かっこよく見えるんです。」
宇宙服設計の新たなビジネスは、商業顧客のニーズを満たすことです。それは、よりスリムなパッケージに生存性を詰め込むこと、あるいは構造や素材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生み出すことを意味します。最初の3Gスーツは、早ければ1月にもスペインの航空宇宙スタートアップ企業zero2infinityに納入される予定ですが、このスーツでは一部の金属部品が廃止されています。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ます。オービタル・アウトフィッターズがXCORエアロスペースに提供する、軌道上2人乗り宇宙船Lynxで使用するためのIS3スーツでは、同社は使い捨て部品の採用を検討しています。スーツを密閉するブラダー層などの部品は、打ち上げのたびに交換できる可能性があります。
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探査スーツ
低軌道を超えるには、宇宙飛行士は新型の打ち上げ突入用宇宙服以上のものを必要とします。探査用の多目的宇宙服です。NASAは最近、一連のテストベッド設計の第一弾となるZ-1宇宙服を発表しました。Z-1は関節にベアリングを内蔵し、現在の船外活動（EVA）モデルであるEMUよりもはるかに機動性が高くなっています。また、後部エントリーポートを備えており、宇宙服をエアロックとして利用することで、居住空間の側面にドッキングさせ、摩耗しやすい月面レゴリスや腐食性の高い火星の土壌への侵入を回避できます。NASAは次にZ-2の開発に着手し、これら2つの宇宙服の優れた特徴をZ-3に取り入れる予定です。計画通りに進めば、Z-3は2017年までに国際宇宙ステーションから初の船外活動を行う予定です。
しかし、Z-3が軌道上にどんな機能を搭載しようとも、今日の最先端の素材を採用したり、EVAスーツの最大の欠点を解決したりすることはまずないでしょう。EVAスーツは人型の飛行船で、生存可能な圧力を維持するのに十分な酸素を充填しています。宇宙飛行士は移動中、自身の衣服と格闘したり、巨大な風船動物のような四肢を屈曲させたり伸ばしたりするのにエネルギーの75%を消費し、実際の探査活動にはわずか25%しか費やしません。
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、彼女はバイオスーツの開発に取り組んでいる。これは、ガス充填による加圧を、機械式カウンタープレッシャー（MCP）という異なるシステムで置き換えた宇宙服である。MCPは、保護用の空気を送り込む代わりに、全身を均一に圧迫することで、機械的な力で十分な大気圧を再現する。この結果、宇宙服は宇宙飛行士のエネルギーのわずか25%しか消費せず、よりスムーズに動くようになる。また、万が一破損した場合でも機械式カウンタープレッシャーを容易に回復できるため、はるかに耐久性も向上する。
宇宙飛行士は、猛スピードで飛び交う小惑星の凹凸の多い表面や、赤い惑星の砂嵐に耐えられる宇宙服を必要としています。MCPを実現するために、ニューマンは新しい素材を必要としています。それは、人間の複雑な生理学的曲線にしっかりと密着し、同時に動きにも柔軟に対応する素材です。「ここ数年、私たちは14の候補技術を検討していました」と彼女は言います。「今では3つに絞りました。」1つの選択肢は、電流によって伸縮し、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つの選択肢は、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開発を目指しています。ニューマン氏のチームは、温度変化に応じて変形・再形成するニッケル・チタン合金ニチノールを含む、複数の合金を編み込むことに注力しています。
「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。年間数百万ドルの投資があれば、この技術をスケールアップし、3～5年で本格的なスーツを製造できると彼女は見積もっている。
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夢のスーツ
有人深宇宙探査の実現には、途方もないハードルが立ちはだかる。火星への往復飛行を経済的に実現できる推進力、そして1年間の飛行中、乗組員を致死的な銀河宇宙線から守ることができる宇宙船などだ。来年、いや、おそらく10年後でもないだろうが、遠距離宇宙探査の時代が到来した暁には、宇宙飛行士は猛スピードで飛行する小惑星の凹凸だらけの表面から、火星の砂嵐まで、様々な環境に耐えられる宇宙服を必要とするだろう。それを実現するために、設計者は新たな機能をもたらす様々な新素材の開発が必要となる。
宇宙服全体に張り巡らされた導電性ナノワイヤー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ます。バイザーに重ねて表示される地図や設定ルートは、音声コマンドでオンオフを切り替えることができます。その他のデータは表皮バイオセンサーから取得され、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る可能性があります。全身MCPの早期実現には懐疑的なエンジニアでさえ、ガスフリーグローブなどの限定的な用途を想定しています。
目的地に応じて、設計者は他の部品と交換することも可能です。小惑星に向かう宇宙服には、ヤモリの皮膚と同じ乾燥接着効果を利用したブーツソールが採用されるかもしれません。これにより、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密着することが可能になります。ドレイパー研究所で開発中のスタビライザーは、宇宙服の腕と脚に取り付けることができます。小型のジャイロスコープには小さな回転ディスクが付いており、地球の重力のような感覚を作り出す抵抗力を提供し、無重力状態での方向感覚の喪失を軽減する可能性があります。
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」。ロスは様々な厚さの着脱可能な全身カバーオールを提供することを構想しているが、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を持つ衣服の開発を推し進めている。ILCドーバーが開発した蓮の葉に着想を得たコーティングは、植物の滑りやすさと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塵埃の量を制限することができるだろう。
ファイナル・フロンティアは、軽量で柔軟な放射線遮蔽材として、ナノ構造または粉末状の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おける最大の課題の一つです。現在、船外活動用の宇宙服には放射線防護機能がないため、NASAは宇宙飛行士の宇宙遊泳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が指摘するように、「宇宙服には目に見えない繊細さが満ち溢れている」。質量の1オンス、そして素材間のあらゆる潜在的な相互作用が、既に途方もなく複雑なシステムにさらなる複雑さを加える。それでも、宇宙服の未来はこうなるかもしれない。アポロ時代の装備の漸進的なアップグレードではなく、複数の研究の最前線から得られる最高のもの。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る。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るだろう。しかし、機能する素材は、ほんの少しの足踏みで済むか、1億マイルの飛行に値する徒歩旅行になるかの違いを生むかもしれない。
Erik Sofge 氏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、そして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、現在研究室で開発中です。
—エルバート・チュー
カスタムフィット
将来の宇宙服では、ガスによる加圧ではなく、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を編んだものなど、形状記憶合金を用いて一定の機械的反圧をかけることが考えられます。この合金は熱処理が施され、宇宙服着用後に宇宙飛行士にぴったりとフィットするだけでなく、動きにも追従します。
拡張視覚
現在の宇宙飛行士はプラスチック越しに視界を覗いていますが、将来のバイザーはALONと呼ばれる透明セラミックで作られる可能性があります。これは防弾ガラスよりも薄く、3倍の強度があります。F-16パイロットが使用しているLumus Optical社のヘッドアップディスプレイは、光学プリズムで光を目に導くフルカラーディスプレイとして、宇宙ヘルメットにも搭載される可能性があります。
フォームバッファー
体の凹んだ部分には、スーツの反圧を調整するために別の形状記憶素材が必要になるかもしれません。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となるカーボンナノファイバーを開発しました。この素材は電気で活性化すると熱を発生し、フォームを所定の形状に膨張させることができます。
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、体温を奪います。パーデュー
大学のエンジニアたちは、チューブを絶縁すると同時に電力も生成できる技術を開発した。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可能性があります。硬質で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、硬質素材と軟質素材の接触部分を快適に保つため、各シェルは使用者に合わせて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、スーツやグローブの破れ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ドーバーのエンジニアたちは、より良い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を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、化学物質が発泡し、破れたスーツを修復します。
究極の断熱性
約95%が空気で構成されるシリカエアロゲルは、激しい温度変化から断熱することができます。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、宇宙空間でも耐えうる耐久性と柔軟性を備えたエアロゲルを開発しました。また、エアロゲルに埋め込まれた水素は、危険なレベルの放射線を遮断する可能性もあります。
人工重力
低重力環境に長期間さらされると、骨粗鬆症や筋萎縮が起こります。宇宙飛行士は毎日2.5時間の運動でこれを防ぎます。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ます。腕と脚に取り付けられたジャイロスコープは、地球上の重力と同等の抵抗力を生み出すことができます。
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ります。炭素繊維とケブラー繊維を織り合わせたこの接着剤は、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ますが、表面からは簡単に剥がれます。
エクストラパワー
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ります。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ます。この圧電ワイヤーを膝と肘を覆う布地に埋め込むことで、宇宙空間において貴重な冗長性を確保できる可能性があります。
