NASA – National Aeronautics and Space Administration

明日の宇宙船は気絶するほどの特性を持つ先端材料で造られるでしょう。

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Sept: 「私が本当に探しているのは、少なくとも1万マイルを給油する間に走り、自動的に修理し、時速500マイルで巡航し、重さがわずか数百ポンドの車です」とあなたはセールスマンに言います。「

彼が目を見開いて立っているとき、あなたは「そうそう、他の車の 4 分の 1 くらいの値段しかかけられないんだ」と付け加えました。 次世代ミニバン?
飛躍的に進化した宇宙船を実現するためには、先進的な材料が不可欠です。

こんな要望は新車売り場から失笑されるに決まっている。 しかし、多くの点で、この夢の車は、今後数十年の間に太陽系の探査を拡大するために必要となる宇宙船のメタファーなのです。 これらの新しい宇宙船は、より速く、より軽く、より安く、より信頼性が高く、より耐久性があり、より多用途であることが同時に必要です。 そう答える前に、200 年前の牧場主が、時速 100 マイルで何時間も走り続け、家族全員とその荷物を運び、その間ずっと自分の好きな歌を歌ってくれる馬を買いたいと頼んだら、どう反応しただろうかと考えてみてください! 今日、私たちはそれをミニバンと呼んでいます。

馬を自動車に置き換えた産業革命のように、技術の革命は、今日不可能に思えることを明日には当たり前にすることが可能です。 バイオテクノロジー、ナノテクノロジー、情報技術という、現代で最も急成長している3つの科学が融合し、科学者が分子スケールで物質をかつてないほどコントロールできるようになりつつあるのです。 たとえば、鋼鉄の 100 倍の強度を持ちながら重さは 1/6 の物質、穴を開けると瞬時に治癒する物質、押しつけられる力を「感じる」表面、分子のように小さなワイヤーや電子機器、発電や蓄電もできる構造物質、瞬時に固体となりまた元に戻る液体など、想像してみてください。

重さイコールお金

次世代の宇宙船への挑戦は、いくつかの主要な問題にかかっています。 もちろん、何よりもまずコストです。
「今日、すべての技術的な障害が解決されたとしても、太陽系の探査は、実用的であるために、まだ手頃な価格である必要があります」と、NASAの次期10ヶ年計画チームの革命的航空宇宙技術マネージャーであるネヴィル・マーズウェル博士は述べています。 宇宙飛行のコストを下げるには、まず重量を減らす必要があります。 宇宙船を軽くすれば、より小型で効率の良いエンジンを搭載でき、燃料も少なくて済みます。 そうすると、さらに重量を減らすことができ、重量削減とコスト削減のスパイラルが生まれるのです」

右。 このフル装備のサターンV型月ロケットの重さは620万ポンド。 重く、打ち上げコストも高かった。

課題は、安全性、信頼性、および機能性を高めながら、重量を減らすことです。

科学者たちは、宇宙船のスリム化に役立つさまざまな新技術を探っています。 たとえば、超薄膜であるゴッサマー材料は、現在使用されているかさばるコンポーネントの代わりに、アンテナや太陽光発電パネルに、あるいは、1平方メートルあたりわずか4～6グラムの質量で推進力を提供する巨大なソーラーセイルに使用されるかもしれません。 しかし、「カーボン・ナノチューブ」と呼ばれる新しい形の炭素は、複合材料を劇的に改善する可能性を持っています。 最高の複合材料は、重量比で鋼鉄の 3、4 倍の強度を持っていますが、ナノチューブの場合は 600 倍です」

NASA Center of Excellence for Structures and Materials であるラングレー研究所 (LaRC) の主任科学者、Dennis Bushnell 氏は、この驚くべき強みはナノチューブの分子構造からきていると語ります。 ナノチューブは、炭素原子が六角形の各コーナーに配置された、円筒に巻かれた鶏の針金のような形をしている。

一般的にナノチューブは、1.2～1.4ナノメートル（ナノは10億分の1メートル）で、これは炭素原子自体の半径の10倍程度に過ぎない
。 カーボンナノチューブの炭素原子の格子は、他の種類の原子や分子を吊り下げて、ナノチューブに特別な化学的、電気的、熱的特性を持たせるための釘板のようなものである。 Copyright Prof. Vincent H. Crespi, Department of Physics Pennsylvania State University（ペンシルバニア州立大学物理学科）.

ナノチューブは1991年に発見されたばかりですが、すでに科学界の強い関心によって、ナノチューブを作成し使用する能力は飛躍的に向上しています。 わずか 2、3 年前、作られた最も長いナノチューブは、長さ約 1000 ナノメートル (1 ミクロン) でした。 それが今では、2億ナノメートル（20センチ）もの長さのチューブを作ることができるようになったのです」。 8467>

「大きな進歩があるので、ナノチューブを使ったバルク材料の製造はおそらく実現するでしょう」と、Bushnell 氏は言います。 “私たちが知らないのは、重量で鋼鉄の 600 倍の強度を持つこの物質が、バルク材料にどれだけ現れるかということです。 それでも、ナノチューブは最善の策です」

右。 カーボンナノチューブの引張強度は、他の高強度材料のそれを大きく上回っている。 縦軸の各増分が10のべき乗であることに注意。

単に強いだけでなく、ナノチューブは、宇宙船の軽量化計画の別の部分、つまり、1つ以上の機能を果たすことができる材料にとって重要であると思われます。 「今は、その必要はありません。 ホルダーは、システムの不可欠でアクティブな部分になることができます」

宇宙船のボディが電力を蓄えることもでき、重い電池が不要になると想像してみてください。 あるいは、表面はそれ自体で曲がるので、別のアクチュエーターは不要になります。 あるいは、宇宙船のボディに直接回路を埋め込むことができるかもしれません。

宇宙船の皮膚

人間は、体のどこにいても、ほんのわずかなピンチを感じることができます。 これは驚くべき自己モニタリングで、皮膚には何百万もの微細な神経終末と、それらの信号を脳に伝える神経があるため可能なのです。

分子ワイヤーは、これらの織り込まれたセンサーすべてからの信号を中央コンピューターに運び、今日の何百万ものワイヤーのような非現実的な大きさを回避することができます。 ここでもまた、ナノチューブがこの役割を果たすことができるかもしれない。 都合のいいことに、ナノチューブは、作り方次第で導体にも半導体にもなる。 科学者たちは、他の細長い分子から分子ワイヤーを作り、そのうちのいくつかは、有用な構成に自然に自己組織化することさえあります。 画像提供: NASA’s Morphing Project at LaRC.

皮膚も自然治癒することができる。 信じられないかもしれませんが、いくつかの先端材料は同じことをすることができます。 アイオノマーと呼ばれる長鎖の分子でできた自己修復材料は、弾丸などの貫通物に対して反応し、その背後を閉じます。 宇宙空間には、彗星や小惑星の破片など、高速で移動する小さな弾丸がたくさんあるため、宇宙船にこのような皮膜を使用することができるのです。

危険なのは流星群だけではなく、宇宙には放射線もたくさんあります。 地球低軌道を周回する宇宙船は、地球を中心とした幅5万キロの安全なバブルを形成する地球の磁場によって、かなり守られています。

その通り。 太陽フレアは、宇宙空間に高エネルギー放射線を吹き出す。

科学者たちは、まだ良い解決策を探し求めています。 そのコツは、宇宙船に多くの余分な重量を加えることなく、適切な遮蔽を提供することです。 現在、いくつかの軽量な放射線遮蔽材料が、国際宇宙ステーションに搭載された(MISSE)と呼ばれる実験においてテストされています。 しかし、これだけでは十分ではありません。

本当の悪者は、遠くの超新星爆発で発生する銀河宇宙放射線（GCR）です。 GCRは、鉄の原子核のような非常に重い正イオンで構成されており、非常に速いスピードで飛び回っているのです。 この小さな原子の “キャノンボール “は、質量が大きく、速度も速いため、非常に破壊的なのです。 GCR を遮蔽するために使用できる最も悪い材料は金属であることがわかりました」と、ブッシュネル氏は指摘します。 銀河コミック線が金属原子に当たると、原子の核が破壊されることがあります。

皮肉なことに、水素やヘリウムのような軽元素は、二次放射線をほとんど発生させないので、これらのGCRブルートに対する最良の防御になります。 液体水素のタンクで船の居住区を囲むことを提案した人もいます。 ブッシュネル氏によれば、50〜100cmの厚さの液体水素の層があれば、十分な遮蔽になるという。

ここでもまた、ナノチューブが役に立つかもしれません。 カーボンナノチューブの格子は、高密度で、極端な低温を必要とせずに、水素を貯蔵することができます。 もし、未来の宇宙船がナノチューブを超軽量な構造材料として使っているなら、そのチューブに水素を充填して、放射線遮蔽の役割を持たせることはできないでしょうか。

左： 高エネルギー宇宙線が宇宙飛行士のDNAに衝突すると、癌やその他の放射線誘発性疾患につながる損傷を引き起こす可能性がある。 例えば、中性子を処理するホウ素やリチウム、電子を吸収するアルミニウムなどです。

宇宙でのキャンプ

地球の表面は宇宙線からほとんど安全ですが、他の惑星はそれほど幸運なわけではありません。 たとえば火星には、放射線粒子をそらす強力な地球磁場がなく、大気も地球の140倍も薄いのです。 この2つの違いにより、火星の地表の放射線量は、無防備な宇宙空間の3分の1程度となる。

「重量を考慮すると、長期のシェルターのためにほとんどの材料を持っていくことはできません。 そこで私たちが取り組んでいるのが、火星にある元素から放射線を遮蔽する材料を作る方法です」と、LaRCで放射線遮蔽を専門とする科学者、シーラ・ティボーは言います

。 火星でキャンプを張る宇宙飛行士は、宇宙放射線から身を守る必要がある。 Image credit:Frassanito and Associates, Inc.

可能な解決策の1つは、”マーズレンガ “です。 Thibeault氏は説明する。 「宇宙飛行士は、火星の現地で入手可能な材料から耐放射線レンガを製造し、それを使ってシェルターを作ることができる」とティボーは説明する。 例えば、火星の表面を覆っている砂のような「レゴリス」と、赤い惑星に豊富にある二酸化炭素と水から現地で作られるポリマーを組み合わせるとよい。 この混合物をマイクロ波で叩くと、放射線の遮蔽にもなるプラスチックのようなレンガができあがります。 「そして、私たちが使用するポリマーは、レゴリスの放射線遮蔽特性を追加します」

火星シェルターには、自己感知材料の信頼性、自己修復材料の耐久性、および多機能材料の軽量化が必要です。 言い換えれば、火星の家と優れた宇宙船は、同じものの多くを必要としているのです。

The Folks Back Home
Mind-boggling advanced materials will come in the useful on Earth, too.
NASAのモーフィング プロジェクト (Langley Research Centerの先端材料研究努力) のマネージャー、Anna McGowan氏は「確かにNASAの研究は航空宇宙車両に集中しています」と指摘します。 「しかし、この基礎科学は他の多くの分野にも応用できるはずです。 8467>

左： スマートな材料から作られた明日の飛行機は、フラップなしで動作する自己曲げ翼を持つ可能性があります。

だが、まだだ。 ほとんどの先端材料は、洗練された堅牢な製品に必要な工学的洗練を欠いています。 ゴールデンタイムにはまだ早いのだ。 それでも、研究者たちは、「時間の問題だ」と言う。 最終的に、あの車のセールスマンは笑うのをやめ、あなたの宇宙時代の夢のマシンを売り込み始めることでしょう。 — Science@NASAの記事です。 NASA の研究者は、昆虫や鳥を研究し、不思議な特性を持つ「スマート」材料を使用して、新しい、気の遠くなるような航空機の設計を開発しています。 明日の高度な宇宙船は、宇宙の過酷な環境に対して並外れた耐性を持つ、はるか彼方の材料から作られることになるでしょう。

の外側の宇宙空間に突き出している。 朝日を背に、国際宇宙ステーションの外に突き出たMISSE。

Digging in and taking cover — Science@NASAの記事です。 月や火星の土は、将来のミッションで乗組員の放射線遮蔽になる可能性がある。 また、「Making Mars Bricks」も参照。

Center for Nanotechnology (CNT) — NASA Ames Research Center。

Needs of future missions — CNTによる、未来の宇宙探査に必要な技術とその解決法の一覧。 ナノチューブ & Buckyballs (Nanotechnology Now); Carbon nanotubes (Penn State University); Johnson Space Center Nanotube Project (NASA).

Research in molecular electronics: a nano-scale transistor from IBM; a simple logic gate made from nanowires; a customizable nanotube for wires or structures from Purdue University.

Space Weather on Mars — Science@NASA article.火星の大気圏外での天候について。 未来の火星探検家は、傘を地球に置いてきてもいいが、ガイガーカウンターを忘れてはいけないかもしれない！？ 赤い惑星に向かう NASA の実験では、それを突き止めることを目的としています。