NASAは2024年に男女1名ずつを月面に送り込む準備を進めています。これは52年ぶりの月面探査ミッションとなります。このミッションのために設計されている新しい宇宙服は、洗練された超ハイテク設計で、アポロ時代には実現できなかった多くの機能を備えています。アルテミス宇宙服について知っておくべきこと、そしてそれが月探査を次のレベルに引き上げる方法についてご紹介します。
1972年12月14日、アポロ17号の宇宙飛行士ユージン・サーナンとハリソン・シュミットが月面から打ち上げられた時、再び同じことを成し遂げるのに半世紀もかかるとは、正気の沙汰とは誰も考えなかったでしょう。しかし、NASAがアルテミス計画の準備を進める中で、状況はまさに今、まさにその通りです。アルテミス計画が実現すれば、わずか4年後には人類が月面に再び到達するかもしれません。
NASAは様々なパートナーと共に、その実現に必要な技術の開発に取り組んでいます。その中には、巨大なSLSロケット、月面着陸船（ブルーオリジン主導のプロジェクトは順調に進んでいるようです）、非与圧ローバー、水氷の採取・サンプル採取のための機器などが含まれます。そしてもちろん、NASAは次世代の月面宇宙服の開発にも取り組んでおり、これを「探査船外活動ユニット（Exploration Extravehicular Mobility Unit、略してxEMU）」と呼んでいます。
NASAは最近、アルテミス計画の費用を明らかにし、2021年から2025年にかけて280億ドルの資金が必要になると発表しました。この費用のうち、5億1800万ドルはxEMUの開発・製造に割り当てられます。NASAはアポロ計画だけでなく、国際宇宙ステーションの宇宙飛行士用の宇宙服も製造した経験があることを考えると、これはかなり高額です。実際、xEMUは宇宙飛行士が船外活動で着用する宇宙服と見た目は似ていますが、比較できるのはそれだけです。
「xEMUは最初から、これまでのどの装置よりも安全で、壊滅的な故障モードが少ないように設計されてきた」と、ヒューストンにあるNASAジョンソン宇宙センターのEVAオフィス・マネージャー、クリス・ハンセン氏は電子メールで説明した（EVAは船外活動の略で、宇宙であろうと他の惑星の表面であろうと、宇宙船の外で行われるあらゆる活動を指すNASA用語である）。
確かに、宇宙はどんなに良い状況でも危険な場所だが、月面にはさらなる課題がいくつかある。
「低軌道を抜けて月面に到達すると、宇宙服は現在の宇宙服（ISS）よりも高い放射線レベルと極端な温度にさらされることになります」とハンセン氏は述べた。「新しい宇宙服は、アポロ宇宙服よりも複雑な航空電子機器を搭載しているため、耐放射線性を備え、その環境で動作するように設計された部品を慎重に選定する必要があります。」
NASAは、アルテミス3号ミッション（有人着陸を初めて実施するミッション）において、宇宙飛行士を月の南極付近に着陸させたいと考えています。この地域は永久影に覆われているため、水氷を発見・採取できる可能性が高くなります。水氷は貴重な天然資源であるだけでなく、重要な科学的探究対象でもあります。しかし、月面のこの地点は非常に寒く、アポロ宇宙飛行士が経験したどの寒さよりもかなり厳しい条件です。そのため、xEMUはこうした条件に対応できるよう設計されています。
これらのリスクに加えて、xEMUはアルテミス計画の宇宙飛行士を電離放射線と気圧の不在から守る必要があります。同時に、宇宙飛行士たちは探査、機器の設置、科学実験の実施、そして単に生き延びることさえも求められます。宇宙服はこれらの状況下で丸々1週間耐えなければなりません。なぜなら、月面での各ミッションは1週間続く予定だからです。
そのため、スーツは日陰の華氏-250度（摂氏-157度）から太陽が照りつける華氏+250度（摂氏121度）まで、幅広い温度に耐えられるよう設計されています。スーツに搭載されたポータブル生命維持システム（PLSS）はバックパックとして装着され、電力と呼吸用の空気を供給するとともに、呼気中の二酸化炭素と過剰な水分を除去します。PLSSは、内部の温度と圧力を調節するだけでなく、スーツに問題がないか常に監視し、疑わしい兆候があれば警告を発します。xEMUは、電子機器の二重化など、十分な冗長性を備えて構築されており、潜在的な問題を最小限に抑えています。
ハンセン氏は、xEMU のこれまでスーツのデザインに取り入れられたことのない 2 つの新技術に特に興奮していると語った。
「一つは、SWME（スイミーと発音します）と呼ばれる新しい冷却システムです。これは宇宙服水膜蒸発器（Spacesuit Water Membrane Evaporator）の略です」と彼は述べた。「SWMEは、従来の宇宙服設計で用いられてきた氷の昇華ではなく、水の蒸発を利用して宇宙服と宇宙飛行士を冷却します。このシステムは、EMUで使用されている現在の昇華装置よりもはるかに堅牢です。」
2つ目の新技術は「ラピッドアミン」またはRCAと呼ばれ、新しいタイプの二酸化炭素スクラバーです。
「このシステムは継続的に二酸化炭素を船外に排出するため、二酸化炭素の蓄積量過多による船外活動時間制限が発生することはありません」とハンセン氏は説明した。「現在の宇宙服は吸収できる二酸化炭素量に限界があり、これが船外活動中に船外活動にどれだけ長く滞在できるかの制限要因となることがしばしばあります。」
NASAは最近、宇宙服蒸発抑制飛行実験（SEFRE）の一環として、SWMEを宇宙ステーションに打ち上げました。この実験では、微小重力環境下で数百時間にわたりxEMUの熱システム全体を試験します。RCA技術は既にISSで試験されていますが、xEMU用に製造された小型版はまだ試験されていません。
また、レゴリスと呼ばれる月の塵も考慮する必要があります。アポロ計画の準備段階では、宇宙飛行士が流砂のように柔らかいレゴリスに沈んでしまうのではないかという大きな懸念がありました。実際にはそうではありませんでしたが、塵の多い表面は、微細で鋭く腐食性の粒子という形で危険をもたらしました。新しい宇宙服は、塵が宇宙服内部に入り込むのを防ぎ、宇宙服の生命維持システムを汚染するのを防ぐように設計されます。
驚くべきことに、NASA の説明によると、このスーツの柔軟な部分は 16 の異なる層から構成されます。
各層は、宇宙服内の酸素を保つことから宇宙の塵から守ることまで、さまざまな機能を果たします。宇宙飛行士の肌に最も近いのは、最初の 3 層を構成する冷却服です。この服の上には、ガスが充填されて体に適切な圧力を作り出し、呼吸用の酸素を保持するブラダー層があります。次の層は、宇宙飛行士の体の周りでブラダー層を正しい形状に保ちます。リップストップ ライナーは引き裂きに強い層です。その次の数層は断熱材で、宇宙服内の温度を維持するのに役立つ魔法瓶のような役割を果たします。白い外層は太陽光の熱を反射し、3 種類の糸を混合した生地でできています。1 種類の糸は耐水性があり、もう 1 種類の糸は防弾チョッキに使用される素材で、3 つ目の要素は耐火性です。宇宙服には無地の白と、宇宙飛行士を見分けやすくするためのストライプが入ったものがあります。
アポロ計画では、宇宙飛行士の動きが非常に困難だったことで有名です。動きが制限される宇宙服のせいで、膝を曲げたり、地上の物を掴んだりといった単純な動作さえ困難でした。低重力と可動域の狭さから、アポロ宇宙飛行士たちは奇妙なジャンプを考案して移動していました。しかし、xEMUが柔軟性と機動性の向上を約束する今、そのような時代は終わりました。
xEMU与圧服は、上半身、下半身、ヘルメット、冷却服で構成されます。上半身は2つの腕部アセンブリに接続され、これらを組み合わせることで柔軟性が向上し、アルテミス計画の宇宙飛行士は体全体を横切って手を伸ばし、頭上の物体を動かすことができます。特殊なベアリングにより、肩から手首まで腕を完全に回転させることが可能になり、アポロ宇宙服の肩関節の制限を大幅に改善します。下半身を使用することで、宇宙飛行士は腰を曲げたり回したり、膝を曲げたりすることができます。興味深いことに、宇宙飛行士は後ろから宇宙服に着替えます。
この冷却服について興味深い点があります。それは、スパンデックスのような素材で作られており、なんと長さ300フィート（約90メートル）以上の水管が織り込まれているということです。これらの水管は、頭、手、足を除く全身に着用される服全体に冷水を送り込みます。これにより体温が調節され、宇宙飛行士が宇宙服の中で火傷するのを防ぎます（地上の熱は、過度の寒さと同じくらい脅威となることを忘れないでください）。
アルテミス計画の宇宙飛行士たちは、ハイキング用のブーツと、指を暖かく保ちながら物を掴むことができるヒーター付きの特別な手袋も装備する。
さて、皆さんが待ち望んでいた装備、おむつです。そう、xEMUにはおむつが搭載されているのです。月面には簡易トイレがないからです。理想的には、宇宙飛行士は月面歩行中におむつを使う必要はありません。xEMUから降りたら月着陸船内で用を足せるからです。しかし、商用技術を組み合わせて作られたこのおむつは、長時間の歩行中に用を足したいと思った時にも対応できるのです。長時間の歩行は、何時間にも及ぶこともあります。
https://gizmodo.com/nasa-all-women-space-walk-is-inevitable-but-sorry-no-1833572754
嬉しいことに、新しいxEMUスーツは様々な体型やサイズに対応できるよう設計されており、「これにより、かなり小柄な人でもスーツを効果的に使用できるようになるでしょう」とハンセン氏は述べた。NASAは「小柄な人向けに宇宙服を小さくするのは、大きくするよりもはるかに難しい」ことを学んだ。そのため、設計チームは「意図的にまず小さいサイズのスーツを設計・テストし、男女ともに小柄な人による使用に関する貴重なデータを数多く収集しました」。その結果、xEMUは「より多様な人々に宇宙遊泳の世界を開くことになり、私たちは非常に興奮しています」とハンセン氏は説明した。
この宇宙服のもう一つの優れた点は、個々の宇宙飛行士のニーズに合わせてカスタマイズできることです。NASAジョンソン宇宙センターにある人体測定・生体力学施設では、宇宙飛行士は全身の3Dスキャンを受けながら、想定される月面歩行の動きをシミュレーションします（あの月面歩行ではありませんが、月面で月面歩行が見られるとしたらどんなに素晴らしいでしょう？）。こうして得られたモデルを用いて、エンジニアは宇宙服を微調整し、快適性と可動範囲を広げつつ、刺激となる可能性のある箇所を最小限に抑えることができます。
xEMUヘルメットは、2024年のミッションに期待されるものとほぼ同じです。保護加圧バブルを覆う、簡単に交換可能な保護バイザーを備えています。このバイザーは、ミッション中に傷や汚れ、その他の損傷があった場合に交換できます。ヘルメットには保護サンバイザーも付いており、特殊な金コーティングが施されているため、サングラスのように機能し、宇宙飛行士を強い光線から守ります。音声起動マイクがヘルメットに埋め込まれているため、アポロのようなヘッドセットは不要になります。これにより、オンデマンドの双方向通信が可能になります。ヘルメットには小さなフォームブロックも付いており、宇宙飛行士はこれを使ってかゆい鼻を掻きます。これは非常に良いアイデアです。かゆい鼻を掻けないのに苦労するのは本当に嫌ですから。xEMUヘルメットは広範囲の視野も備えており、乗組員は足元、上、左右を見ることができます。
xEMU開発における重要な次のステップは、認定スーツの製作です。ハンセン氏がGizmodoに語ったように、「認定」スーツとは名ばかりですが、仕様と品質管理プロセスの両面において、本物に近いものになる予定です。彼は、NASAがミッション設計を最終決定した2022年半ばまでに、2着の認定スーツを完成させる予定です。一方で、チームは設計検証テスト（DVT）スーツを製作中です。これは、最終製品の観点から「ベストアセスメント」とも言えるスーツです。ハンセン氏は、DVTスーツを2021年初頭にテストしたいと考えています。DVTスーツは「設計の方向性が正しいことを確認するために厳密なテストを受け、最終設計のより良い情報として活用されます」とハンセン氏は述べています。
最終的にはNASAはISSで宇宙服をテストしたいと考えており、それは2023年に実現する可能性があります。
「xEMUの支援に必要なISSの改修は、2022年に完了する予定です」とハンセン氏は説明した。「宇宙服をISSに搬入した後、ISSプログラムと協力し、ISSに宇宙服を搬入するのに適した輸送手段を探します。これは、ISSへの輸送手段の交通量が非常に変動していることを踏まえて決定されます。」
厳しいスケジュールなので、新型コロナウイルス感染症のパンデミックがxEMUの開発に影響を与えているかどうかを尋ねてみました。ハンセン氏によると、設計チームは在宅勤務が可能になっているものの、3月にNASAの大部分が閉鎖を余儀なくされた当時、エンジニアたちはヒューストンのジョンソン宇宙センターでDVTユニットの組み立て作業を進めていたとのことです。
「この防護服の開発に携わるエンジニアや技術者を安全に保護するための手順を策定する過程で、数ヶ月間作業を中断しました」とハンセン氏は述べた。「その2ヶ月間で、安全に作業を継続できるプロトコルを策定し、作業を再開しました。チームの健康と安全を最優先にしながら、実験室での作業効率向上に尽力しており、軌道に戻ったと感じています。」
アルテミス計画の根底にある理念は、この計画が火星有人ミッションへの足がかりとなることであり、xEMUはまさにこれを念頭に置いて設計されています。実際、この宇宙服には、火星の過酷な地表を歩き回ることを可能にする多くの機能が備わっています。ハンセン氏によると、xEMUはこれまでで最も機動性の高い惑星探査服であるだけでなく、これまでで最も自律的な宇宙服でもあるとのことです。
「地球から遠ざかるほど、これは特に重要になります」と彼は述べた。「新たな技術が必要になるでしょうが、この宇宙服は火星探査に必要な次世代宇宙服にとって大きな飛躍となるでしょう。」
