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生命維持システムとは、それがなければ生命を維持できない環境や状況において生存を可能にする装置の組み合わせである。一般的に、宇宙空間や水中など、外部環境が過酷な状況、あるいは装置が機能しなければ死亡リスクが高いほど健康状態が悪化している医療状況において、人間の生命を維持するシステムとして用いられる。[ 1 ]
有人宇宙飛行において、生命維持システムとは、人間が宇宙空間で生存できるようにする装置群のことである。米国政府宇宙機関NASA [ 2 ]や民間宇宙飛行会社は、これらのシステムを説明する際に「環境制御および生命維持システム」または略語ECLSSを使用する[ 3 ]。生命維持システムは、空気、水、食料を供給する。また、適切な体温、体にかかる許容圧力を維持し、体内の老廃物を処理する必要もある。放射線や微小隕石などの有害な外部影響から身を守るための遮蔽も必要となる場合がある。生命維持システムの構成要素は生命維持に不可欠であり、安全工学技術を用いて設計および製造される。
水中潜水においては、呼吸装置は生命維持装置とみなされ、飽和潜水システムは生命維持システムとみなされます。そして、その操作を担当する人員は生命維持技術者と呼ばれます。この概念は、潜水艦、有人潜水艇、大気圧潜水服にも適用できます。これらの場合、呼吸ガスは呼吸可能な状態を維持するために処理が必要であり、搭乗者は外部の気圧や温度から隔離されます。
標準的な体格の乗組員は、宇宙ミッションで標準的な活動を行うために、1 日あたり約5 キログラム (11ポンド)の食料、水、酸素を必要とし、同様の量を固形廃棄物、液体廃棄物、二酸化炭素の形で排出します。[ 4 ] これらの代謝パラメータの質量の内訳は次のとおりです。消費される酸素0.84 kg (1.9ポンド) 、食料0.62 kg (1.4ポンド) 、水3.54 kg (7.8ポンド)は、体の生理学的プロセスによって、固形廃棄物0.11 kg (3.9オンス) 、液体廃棄物3.89 kg (8.6ポンド)、二酸化炭素1.00 kg (2.20ポンド)に変換されます。これらのレベルは、特定のミッション任務の活動レベルによって変動する可能性がありますが、質量バランスの原則に従わなければなりません。宇宙ミッション中の実際の水使用量は、通常、公表値の2倍になります。これは主に、非生物学的用途（シャワーなど）によるものです。さらに、廃棄物の量と種類はミッション期間によって異なり、1週間を超えるミッションでは、毛髪、爪、皮膚の剥離物、その他の生物学的廃棄物も含まれます。放射線、重力、騒音、振動、照明などのその他の環境要因も、宇宙空間における人間の生理的反応に影響を与えますが、代謝パラメータほど直接的な影響はありません。
宇宙空間の生命維持システムは、少なくとも酸素、水蒸気、二酸化炭素からなる大気を維持している。各構成ガスの分圧が全体の気圧に加算される。
しかしながら、希釈ガスの除去は火災リスクを大幅に増加させます。特に地上作業においては、構造上の理由から船内全体の圧力が外部大気圧を超える必要があるため、そのリスクは顕著になります（アポロ1号を参照）。さらに、高濃度の酸素では酸素毒性も問題となります。そのため、現代の有人宇宙船のほとんどは、従来の空気（窒素／酸素）雰囲気を使用し、純酸素は船外活動時の与圧服内でのみ使用します。船外活動では、与圧服の柔軟性を確保するために、可能な限り低い加圧が必要となります。
水は、乗組員が飲料水、清掃活動、船外活動（EVA）における温度調節、および緊急時に使用するために消費されます。有人宇宙探査で到達する環境には、現在現地に水源が存在しないため、水は効率的に貯蔵、使用、そして（廃水や呼気中の水蒸気から）再生されなければなりません。将来の月探査ミッションでは極地の氷から水が、火星探査ミッションでは大気や氷床から水が利用される可能性があります。
これまでの宇宙ミッションはすべて、供給された食料を使用してきた。生命維持システムには、建物や船内で食料を栽培できる植物栽培システムが含まれる可能性がある。これにより、水と酸素も再生される。しかし、そのようなシステムはまだ宇宙空間で運用されたことはない。そのようなシステムは、（そうでなければ失われてしまう）栄養素の大部分を再利用するように設計できる。例えば、コンポストトイレは廃棄物（排泄物）をシステムに再統合し、栄養素を食用作物に吸収させる。作物から得られた食料は、システムの利用者が再び消費し、サイクルが続く。しかし、これまでのところ、そのようなシステムの導入には、物流と設置面積の要件が大きな障壁となっている。
ミッションの期間によっては、宇宙飛行士は宇宙適応症候群、体液の再分布、骨量や筋肉量の減少といった影響を軽減するために人工重力を必要とする場合がある。宇宙空間で人工的な重力を発生させる方法は2つ存在する。
宇宙船のエンジンが往路で船の質量に等しい推力を継続的に発生させることができれば、宇宙船は毎秒32.2フィート（9.8メートル/秒）の割合で継続的に加速し、乗組員は地球の通常の重力（1g）下で船の後部隔壁に向かって引っ張られる感覚を覚えるだろう。この効果は加速率に比例する。宇宙船が中間地点に達すると、向きを変えて逆方向に推力を発生させ、減速する。
あるいは、船室が大きな円筒形の壁で設計されている場合、または別の船室部分やカウンターウェイトまで伸びる長い梁で設計されている場合、適切な速度で回転させると、遠心力によって重力の効果をシミュレートできます。ωを船の回転角速度とすると、半径rにおける加速度は次のようになります。
この効果の大きさは回転半径によって変化するため、客室設計によっては乗務員にとって不便に感じられる可能性がある点に注意が必要です。また、コリオリ力（客室内の動きに対して直角に働く力）の影響にも対処しなければなりません。さらに、回転によって前庭機能障害が悪化する可能性も懸念されています。
長期宇宙ミッションの生命維持システムは、乗組員を宇宙放射線から保護し、癌の発症リスクを低減し、宇宙飛行士の健康を守る必要がある。[ 5 ]将来のミッションでは、宇宙船の壁をコーティングするために、放射線耐性のある真菌由来の塗料が使用される可能性がある。[ 6 ]
アメリカのマーキュリー、ジェミニ、アポロ宇宙船は、重量と複雑さを最小限に抑えるため、短期間のミッションに適した100％酸素の大気を備えていた。[ 7 ]
スペースシャトルは、酸素22％、窒素78％からなる地球に似た大気混合物を備えた最初のアメリカの宇宙船でした。[ 7 ]スペースシャトルでは、NASAは乗員の生命維持とペイロードの環境制御の両方を提供するシステムをECLSSカテゴリに含めています。シャトルリファレンスマニュアルには、乗員区画キャビン加圧、キャビン空気再生、水冷却ループシステム、アクティブ熱制御システム、給水および廃水、廃水収集システム、廃水タンク、エアロックサポート、船外活動ユニット、乗員高度保護システム、およびペイロード用の放射性同位体熱電発電機冷却とガス状窒素パージに関するECLSSセクションが含まれています。[ 8 ]
ソユーズ宇宙船の生命維持システムは、Kompleks Sredstv Obespecheniya Zhiznideyatelnosti (KSOZh) (ロシア語: Комплекс Средств Обеспечения Жизнедеятельности (KCOЖ) ) と呼ばれています。ボストーク、ボスホード、ソユーズには、約 101 kPa (14.7 psi) の空気のような混合物が含まれていました。[ 7 ] 生命維持システムは、海面分圧の窒素/酸素雰囲気を提供します。雰囲気は、乗組員が生物学的に生成した CO 2と水の大部分を吸収して酸素を再生する KO2 シリンダーによって再生され、残りの CO 2は LiOH シリンダーによって吸収されます。[ 9 ]
パラゴン・スペース・デベロップメント社は、NASAの商業乗員開発（ CCDev ）資金の一部を利用して、将来の宇宙船向けに商業乗員輸送空気再生システム（CCT-ARS）[ 10 ]と呼ばれるプラグアンドプレイのECLSSを開発している。[ 11 ]
CCT-ARSは、統合システムで7つの主要な宇宙船生命維持機能を提供します。空気温度制御、湿度除去、二酸化炭素除去、微量汚染物質除去、火災後の大気回復、空気ろ過、およびキャビン空気循環です。[ 12 ]
宇宙ステーションのシステムには、人間が宇宙空間で長期間生活することを可能にする技術が含まれている。こうした技術には、人間の排泄物処理や空気生成のためのろ過システムなどが含まれる。
スカイラブは、5psiの全圧で72％の酸素と28％の窒素を使用した。
サリュート宇宙ステーションとミール宇宙ステーションには、海面気圧93.1 kPa (13.5psi)～129 kPa (18.8 psi)の空気のような酸素と窒素の混合物が含まれており、酸素含有量は21%～40%でした。[ 7 ]
ビゲロー商業宇宙ステーションの生命維持システムは、ネバダ州ラスベガスのビゲロー・エアロスペース社によって設計されている。宇宙ステーションは、居住可能なサンダンサーモジュールと拡張可能なBA 330宇宙船モジュールで構成される。2010年10月現在、サンダンサーの環境制御および生命維持システム（ECLSS）の「人間参加型テスト」が開始されました。[ 13 ]
アリゾナ州のバイオスフィア2のような自然型LSS（生命維持システム）は、将来の宇宙旅行や植民地化に向けて試験的に導入されてきました。これらのシステムは閉鎖型生態系とも呼ばれています。太陽エネルギーを主要エネルギー源としてのみ利用し、燃料などの物流支援を必要としないという利点があります。自然システムは複数の機能を統合しているため、非常に高い効率性を誇ります。また、宇宙空間での長期滞在に必要な、人間にとって適切な環境を提供します。
水中居住施設および水面飽和居住施設は、数日から数週間にわたり居住者の生命維持を支える。居住者は、数週間にも及ぶ減圧義務のため、直ちに水面の大気圧に戻ることはできない。
水面飽和居住施設の生命維持システムは、加圧下にある人員の生命維持のために呼吸ガスやその他のサービスを提供します。これには以下のコンポーネントが含まれます。[ 14 ]水中居住施設は、周囲の外部圧力が内部圧力と同じであるという点で異なり、そのためいくつかの工学的問題が簡略化されます。
水中居住施設は内部圧力と周囲の外部圧力のバランスを保ち、居住者が特定の深度範囲内で周囲環境に自由にアクセスできる一方、水面システムで収容される飽和潜水士は、密閉された潜水鐘内で加圧された状態で作業深度まで移動します。
鐘の生命維持システムは呼吸ガスの主供給を供給および監視し、制御ステーションは展開とダイバーとの通信を監視します。鐘への主要なガス供給、電力、通信は、複数のホースと電気ケーブルを撚り合わせてユニットとして展開した鐘アンビリカルを介して行われます。[ 15 ]これはダイバーアンビリカルを介してダイバーに延長されます。[ 14 ]
居住用生命維持システムは、居住者の健康と快適さのために、室内環境を許容範囲内に維持します。温度、湿度、呼吸ガス品質、衛生システム、機器の機能が監視および制御されます。[ 15 ]
マイクロ生態系生命維持システム代替案（MELiSSA）[ 16 ]は、欧州宇宙機関が主導するイニシアチブであり、微生物と高等植物をベースとした生態系として構想され、人工生態系の挙動を理解するためのツールとして、また長期有人宇宙ミッションのための将来の再生型生命維持システムの技術開発を目的としています。
CyBLiSS（「シアノバクテリアベース生命維持システム」）は、複数の宇宙機関（NASA、ドイツ航空宇宙センター、イタリア宇宙機関）の研究者によって開発されたコンセプトで、火星で利用可能な資源をシアノバクテリアを使って直接有用な製品や、生物再生型生命維持システム（BLSS）の他の主要生物の基質に加工するものです。 [ 17 ]目標は、将来火星に有人基地を建設する際、地球からできるだけ独立させ（探査隊員が「現地で生活」できるようにする）、ミッションコストを削減し、安全性を高めることです。CyBLiSSは独自に開発されましたが、火星で見つかる材料と接続できるため、他のBLSSプロジェクト（MELiSSAなど）を補完し、火星での持続可能かつ拡張可能なものにすることができます。閉鎖ループに頼るのではなく、現地で見つかった新しい要素をシステムに取り込むことができます。
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