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 研究所のロゴ、国際宇宙ステーションのシルエット | |
| 設立 | 2005 |
|---|---|
| 予算 | 年間1500万ドル |
研究分野 | 生命科学、物理科学、技術開発、リモートセンシング |
| 位置 | 国際宇宙ステーション |
運営機関 | 宇宙科学推進センター(CASIS) |
| Webサイト | このサイトについて |
ISS米国国立研究所（ISSナショナルラボ）は、2005年12月30日に2005年NASA認可法により設立された米国政府出資の国立研究所です。国際宇宙ステーション（ISS）の米国軌道セグメント（USOS）に主要研究施設を構えるこの研究所は、幅広い学術機関、政府機関、民間ユーザーを対象に、生命科学、物理科学、技術開発、リモートセンシングの研究を行っています。宇宙科学推進センター（CASIS）がISSに送った270個のペイロードのうち、176個はメルク、ノバルティス、イーライリリー、ヒューレット・パッカード・エンタープライズ、ハネウェル、プロクター・アンド・ギャンブルなどの民間企業向けです[1]。[2]
歴史
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ISSは、2001年2月にデスティニーモジュールが設置されて以来、運用科学プラットフォームとなっている。[3] 2005年のNASA認可法は、ISSの米国セグメントを国立研究所に指定し、「地球上の生活の向上、NASA、他の連邦政府機関、民間セクターとの関係促進、微小重力下でのISS独自の機能の活用によるSTEM教育の推進」を目的としている。[4] 2010年のNASA認可法では、議会はNASAに米国国立研究所を管理する非営利団体を選択するよう指示した。2011年8月、NASAはISS米国セグメントを国立研究所として完全に開発するために、CASISと10年間の契約を締結した。[5] 2017年7月、NASAは米国国立研究所を管理するCASISとの契約を2024年9月まで延長した。[5]
設備
国立研究所の科学研究施設は、微小重力下で実験を行うためのインフラと設備を提供しています。[6]施設は通常、繰り返しの研究や長期の研究機会をサポートするために長期間にわたって宇宙ステーションに留まります。多くの施設は民間企業によって管理されています。[7]施設管理者は、ハードウェアの開発者や所有者以外の組織による調査のために宇宙ステーションの機器を使用することをサポートし、低コストで軌道上の商用サービスを提供するビジネスモデルを検証しています。[6] [7]国立研究所には現在、8つの企業によって管理されている14の商業的に運営される実験室施設があり、これには2018年度に新たに設置された2つの施設と1人の新しい施設管理者が含まれています。[8]
積層造形施設： 3Dプリンターを活用することで、この製造施設はステーションのメンテナンス、ツールの構築、新しいハードウェアのアップグレードとインストール、緊急時のISSの各セクションの修理などを行うことができます。[9]その製造能力は、ISSにおける幅広い商業的利益もサポートしています。[9]
先進宇宙実験処理装置（ADSEP）：この熱制御施設は、細胞技術、モデル生物、多相流体、溶液化学、分離科学、マイクロカプセル化、結晶成長などの実験に対応しています。[10]
骨密度計：この施設は宇宙飛行中にマウスの骨密度をスキャンし、研究者が人間の骨疾患を研究するのに役立ちます。[11]
材料ISS実験飛行施設（MISSE-FF）：宇宙で材料、コーティング、コンポーネントをテストする施設。[12]実験では、材料が紫外線（UV）、原子状酸素（AO）、電離放射線、超高真空（UHV）、荷電粒子、熱サイクル、電磁放射線、微小隕石にどのように反応するかを示します。[12 ] テストの恩恵を受ける業界には、先端材料、自動車、航空、エネルギー、宇宙（飛行ハードウェア、宇宙飛行士の衣服と保護）、輸送、微小隕石軌道上デブリ（MMOD ）などがあります。[12]
多目的可変重力プラットフォーム（MVP）：宇宙での試験時に人工重力、温度、湿度、酸素、二酸化炭素の制御を提供する施設。[13]ショウジョウバエ、線虫、培養細胞、植物、水生動物、タンパク質結晶化、組織チップ、機能的重力研究の研究をサポートします。 [13]
MUSES（地球センシングのためのマルチユーザーシステム）：この施設には、高解像度デジタルカメラやハイパースペクトルイメージャーなどの地球観測機器が設置されており、精密な指向性を提供します。[14]この施設から収集されたデータは、海洋領域認識、農業認識、食糧安全保障、災害対応、大気質、石油/ガス探査、火災検知、遺産保護などに使用できます。[14]
ナノラックキューブサット展開装置： ISSから衛星（キューブサット）を展開するために設計された装置。 [15]キューブサットは、積み重ね可能なモジュール式の地上搭載型打ち上げケースで、最大6.5Uを収容できます。 [16]キューブサット展開システムは、キューブサットをISS、貨物補給車両、ISSの乗組員から機械的および電気的に分離できます。 [15]
ナノラック外部プラットフォーム：ISSの外側に設置され、回収して地球に持ち帰ることができるセンサー、材料、電子テストのための初の外部商用研究施設です。[17]生物学的テスト、センサーターゲットテスト、衛星通信コンポーネントテスト、電力システムテスト、材料テストに関する研究成果を提供します。[18]
ナノラックス内部プラットフォーム（ナノラボ）：大きさは10cm×10cm×10cmで、研究者のプロジェクトをISSに運ぶための箱型ユニットです。[19]この小型ハードウェアには、実験を開始したり、停止したり、他の活動に使用できる回路基板が搭載されています。ナノラボはUSBポートを使用して施設のプラットフォームに接続され、データと電力が流れます。[19]
Nanoracks PlateReader：マイクロタイタープレート内のサンプルの生物学的、化学的、または物理的イベントを検出するために設計された実験装置。[20]マイクロプレートリーダーは、製薬およびバイオテクノロジー業界の研究、創薬、バイオアッセイの検証、品質管理、製造プロセスで広く使用されています。[20]また、温度制御機能も備えているため、微生物の増殖の測定や遺伝子発現のモニタリングなど、サンプルの長期培養が可能になります。[20]
宇宙自動バイオプロダクトラボ（SABL）：生物システムとプロセスの研究支援に重点を置いた生命科学、物理科学、材料科学の実験に使用できます。[21]このラボでは、微生物、小生物、動物細胞、組織培養、小植物が研究されています。[21]
宇宙技術先端研究システム（STaARS）：信頼性の高い温度制御、制御可能な実験ハードウェア、迅速な飛行アクセスを提供することで、物理科学、先端バイオテクノロジー、生命科学研究をサポートする能力を備えた研究プラットフォーム。[22]研究結果は、製薬、組織工学、再生医療、バイオ燃料、発見科学に影響を与えます。[22]
TangoLab-1：ISS上の完全に自動化された多目的再構成可能な一般研究施設。[23]
TangoLab-2：ISSにある完全に自動化された、多目的の再構成可能な一般研究施設。[24] TangoLab-1とTangoLab-2の主な違いは、ファンシステムがアップグレードされ、より高い熱除去能力が備わっていることです。これにより、より大きな電力消費とより低い温度要件での研究が可能になります。[24]
研究
ライフサイエンス
地球上のすべての生物は、マクロレベルと分子レベルの両方で重力の影響を絶えず受けています。宇宙の微小重力状態は、DNAの調節、遺伝子の発現、細胞の構造と機能に変化を引き起こします。[25]重力が生体システムとその生化学的プロセスに与える影響を理解することで、生物学、遺伝学、ヘルスケア、医学、微生物学、植物および作物科学、ナノテクノロジー、製薬および再生医療の分野での研究が進歩します。[25]
研究例
幹細胞研究
あらゆる臓器や組織の細胞を生み出すマスター細胞である幹細胞は、重力下で通常の方法で成長する細胞と比較して、微小重力下でより速く成長する可能性があることが示されています。 [26]宇宙の環境は、幹細胞を組織や臓器系の機能をよりよく模倣するさまざまな細胞タイプに分化させることと相まって、3次元組織の形成を可能にします。[27]
ある科学者は、脳卒中患者の治療を改善するために宇宙でヒト幹細胞の実験を行っている。その目的は「出血性脳卒中を患った患者のニューロンと血管の再生を促す幹細胞の個体数を増やすこと」である。[26]この種の研究は地球上の研究室でインキュベーターを使用して行われているが、幹細胞の増殖には長い時間がかかる。この科学者は、宇宙での試験によって細胞の成長が加速されると考えている。[26]研究者らはまた、臓器オンチップまたは組織オンチップと呼ばれる技術を使用して、人間のシステムの小型版を構築している。これらのマイクロチップのようなデバイスには、宇宙で臓器全体がそこに存在するかのように反応する生きた細胞が埋め込まれている。[28]科学者らは、これらのチップが最終的に、病気の研究や新薬の試験のための従来の皿培養や動物実験に取って代わると考えている。[29] ISS での最新の組織オンチップ実験では、機能的な骨組織を増殖させる。[29]
タンパク質結晶化
微小重力環境により、科学者はより高品質のタンパク質結晶を成長させることができ、薬剤設計の改善に役立つ可能性があります。[30]科学者がこの種の研究をISSで行うことを選択したのは、異なる温度と密度の流体を混合する対流がないため、微小重力環境では液体の温度を均一に保つことが容易であるためです。 [31]対流がなければ、異なる密度と温度の流体の動きは、対流よりも遅い拡散によって発生します。これにより、結晶の成長プロセスがより正確になります。[31]
米国の研究所の研究者は、パーキンソン病タンパク質LRRK2のタンパク質結晶を成長させている。地球上の研究所で成長させた場合、タンパク質の結晶は小さく、多くの欠陥がある。科学者は、微小重力の影響により、タンパク質結晶はより大きく成長し、欠陥が最小限に抑えられ、構造の分析が容易になると考えている。[32]成功すれば、科学者はこのタンパク質を阻害し、この病気の進行を予防または遅らせる薬を開発できると考えている。[32]この種の研究は、嚢胞性線維症やハンチントン病にも役立つ可能性がある。なぜなら、科学者は地球上で活性タンパク質の結晶を画像化できるほど十分な品質で成長させることができなかったからである。[27]
タンパク質の結晶化は、現在市販されている抗がん剤の投与方法にも影響を与える可能性があります。[33] ISSで薬剤を調合する際に重力による変動がないため[33]、何時間もかかる静脈内注入を簡単な注射に変えることで、薬剤の投与と有効性を改善できるのではないかと期待されています。[31]
骨接着剤
別の科学者は、骨折した骨を固定し、金属器具と骨の間の密閉を安定させる新しい接着剤をテストしている。研究者は、地球上で骨を接着し直すと、時間の経過とともに材料が最終的に新しい骨に変わることを発見した。研究者は現在、宇宙で接着剤をテストし、新しい骨の形成を加速するかどうかを確認している。[34]
この科学者は、金属板、ネジ、棒の代わりに骨接着剤を使用すれば、骨折の手術がはるかに簡単になると考えています。[34]
細菌の増殖を分析する
科学者たちはまた、ISSでの細菌の増殖と、次のスーパーバグ、つまり複数の抗生物質に耐性を持つ細菌株を決定する可能性のある突然変異を分析しています。これらの突然変異を観察することで、簡単に広がり、治療が非常に難しいメチシリン耐性 黄色ブドウ球菌（MRSA）などの細菌を排除する薬の開発に役立ちます。[35]
免疫システムの反応
ある研究では、微小重力が免疫反応を担う白血球の一種であるT細胞にどのような影響を与えるかを観察することで、加齢に伴う病気の治療法を見つけることを目指しています。低重力下では、T細胞は対照サンプルに比べて約半分以下の頻度でしか活性化しません。 [36]これは、感染症と闘う能力が低下していることを示しています。微小重力下での生活は、老化と同じ種類の問題を加速させるため、この研究者は宇宙でT細胞が変化する最も早い時点を特定することに興味を持っています。[36]
DNAの遺伝的変化
ある研究者は、遺伝子を分析する機械を使って、宇宙飛行士が宇宙にいるときに免疫系を弱める原因となるDNAの遺伝子変化を経験するかどうかをテストしている。[37]この実験の結果は、宇宙飛行士が長期間にわたって宇宙で実験を行うことができるかどうかを決定するため重要である。[37]
モデル生物を用いた実験
例えば、科学者たちは、微小重力が持つ骨の劣化を加速させるというユニークな能力を利用して、宇宙でのげっ歯類の骨損失を研究している。この実験では、新しい骨を成長させる能力を持つ人間の分子であるNELL-1が、宇宙でのマウスの骨損失を防ぐ治療としてどのように機能するかを研究している。 [38]この研究結果は、骨の修復、骨損失の予防、骨移植の治療法の開発につながる可能性がある。[38]
リモートセンシング
ISSの軌道は、地球の人口の90％以上が住む地域の上空を通過し、科学者に地球のユニークな景色を提供します。[39]景色に加えて、ISSは地球観測に使用される他の衛星と比較して、より優れた空間解像度と可変照明条件を提供します。 [39]これらの新しい技術は、農業、水質、天然資源、大気監視、海上追跡の研究を前進させています。 [ 39 ]
研究例
大気センサー
ISSのミッションの一つでは、地球上の雷を監視するために雷画像センサーが取り付けられました。[40]収集されたデータは、科学者が天候の変化、気候の変化、大気の変化を予測するのに役立ちます。[40]オゾン層の変化を監視するために、別のセンサーが宇宙船に取り付けられました。[40]
宇宙から流星群を監視
宇宙から流星群を監視するために、2年間にわたってISSにカメラが設置されました。この調査により、科学者は小惑星や彗星の行動とそれらが地球に及ぼす影響についてより深く理解することができました。[41]この研究結果は、衝突の可能性から私たちを守ることにも役立つ可能性があります。[41]
赤潮研究
国際宇宙ステーションでは、海洋に毒素を放出する有害な藻類の大量発生である赤潮の研究が行われています。宇宙船に取り付けられた特殊な画像装置を使用して、科学者たちは藻類の大量発生を検出し分類するのに役立つデータを収集しました。[42]
物理科学
宇宙では浮力が失われるため、科学者は流体力学、燃焼、材料科学の基礎研究を行うことができます。[43]これらの概念をより深く理解することで、輸送、発電、製造、医療の分野での進歩が促進され、同時に複数の分野で安全性と効率性の基準が進化します。[43]
研究例
義肢
宇宙旅行における最大の課題の1つは、放射線が人工物と天然物の両方に与える影響です。[44]そのため、科学者たちは、人間やロボットが使用する人工肢用の本物そっくりの人工筋肉を作るために設計された新しいゲル状素材が、火星旅行に耐えられるかどうかを調べています。[44]この素材は、高レベルの放射線にさらされても耐久性、柔軟性、強度を維持できるかどうかを判断するために、ISSでテストされています。[44]
特定の医薬品がどのように溶解するかに焦点を当てた研究
ある製薬会社は、液体と固体の相互作用と微小重力下での医薬品の溶解に関する実験を行っている。[45]この結果は、より効果的で保存期間の長い医薬品の開発につながる可能性がある。[45]
外科用ロボット
ISSで行われる研究の効率を高めるために、外科用ロボットが宇宙でテストされている。[46]ロボットは小さな器用な作業を実行できるため、宇宙で実行できる研究の種類が拡大するだけでなく、飛行乗組員が他の実験に集中する時間も増える。[46]
消費者向け製品
2 つの企業が宇宙で消費者向け製品の改善のための実験を行っています。[1] 1 つの企業は、シャワーで使用する水の量を少なくするために、水を分解してより速く放出する「振動チップ」を使用する、より効率的なシャワーヘッドをテストしています。もう 1 つの企業は、より燃費の良いタイヤを生産するために、微小重力下でシリカと呼ばれる化合物がどのように形成されるかを研究しています。[1]
技術開発
米国の研究所は、リモートセンシング技術の新開発、コンピューティング、エレクトロニクス、ハードウェアのプロトタイピングにおける革新のテスト施設として機能しています。[47]また、微小重力を利用した材料生産および製造施設も備えています。[47]
この研究所ではロボットや先端材料が過酷な微小重力環境に耐えられるかどうかのテストも行っています。その結果は将来の宇宙ステーションや次世代衛星に貴重な情報をもたらすでしょう。[47]
研究例
3Dプリンター
ISSの3Dプリンターは、 「衛星やその他の宇宙船の部品、医療研究用部品、オートデスクの運動器具、レンチ、高校のプロジェクト用の部品」を生産する予定である。 [48]研究者たちは、地球から送るのではなく宇宙で大型構造物を製造することは、月面に居住地を建設したり、無人機を送って他の惑星を探索したりするなど、宇宙開発と探査の範囲を広げると考えている。[48]
コットンの持続可能性
研究者たちは、水を節約し、畑作物の管理に役立つ情報に基づいた決定を下せるよう、水使用量を減らすために植物を改良することから、地球観測から農家にリアルタイムのデータを提供することまで、綿花の持続可能性を高めるための革新的な方法を研究しています。[49]
骨密度測定
宇宙ステーションに設置された最初のX線装置は骨密度計と呼ばれ、宇宙飛行士は装置を介して骨に吸収されるエネルギーレベルを測定することで宇宙のモデル生物の骨密度を調べることで骨粗鬆症を研究することができる。[50]
参考文献
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