生命維持システム

生命維持装置とは、生命維持装置がなければ生命を維持できない環境や状況で生存を可能にする装置の組み合わせである。一般的には、宇宙空間や水中など外部環境が過酷な状況や、装置の機能がなければ死亡リスクが高いほど人の健康が損なわれる医療状況で人間の生命を維持するシステムに適用される。^[1]

有人宇宙飛行において、生命維持システムは、人間が宇宙空間で生存できるようにする一連の装置である。米国政府の宇宙機関NASA ^[2]や民間の宇宙飛行会社は、これらのシステムを説明する際に「環境制御生命維持システム」という語句、または頭字語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、体温を適正に保ち、身体にかかる圧力を許容範囲内に抑え、身体の老廃物を処理する必要がある。放射線や微小隕石などの有害な外部の影響に対する遮蔽も必要になることがある。生命維持システムのコンポーネントは生命維持に不可欠であり、安全工学技術を使用して設計および構築されている。

水中ダイビングでは、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。これを操作する責任者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。これらの潜水艇では、呼吸ガスを呼吸可能な状態に保つために処理が必要であり、乗員は外部の周囲圧力と温度から隔離されます。

医療用生命維持システムには、人工心肺装置、人工呼吸器、透析装置などが含まれます。

標準的な体格の乗組員は、宇宙ミッションにおける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、同様の量を廃棄物固形物、廃棄物液体、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。消費された酸素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、身体の生理学的プロセスを通じて、生成された固形廃棄物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、特定のミッション割り当ての活動レベルによって異なる場合がありますが、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、主に非生物学的使用（シャワーなど）のため、通常、上記の値の 2 倍になります。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髪の毛、爪、皮膚の剥がれ、その他の生物学的廃棄物が含まれます。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での人間の生理学的反応に影響しますが、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、二酸化炭素で構成された大気を維持します。各成分ガスの分圧が全体の気圧に加わります。

しかし、希釈ガスの排除は、構造上の理由から客室全体の圧力が外部の大気圧を超えなければならない地上での作業では特に、火災の危険性を大幅に高めます（アポロ1号を参照） 。さらに、酸素の濃度が高いと酸素毒性が問題になります。このため、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、宇宙服の柔軟性が許容できる範囲で可能な限り低い膨張圧力を必要とする船外活動中は、圧力服内でのみ純酸素を使用します。

水は、乗組員が飲用、清掃活動、船外活動の熱制御、緊急時に使用します。人類の宇宙探査の過程で到達する環境には、現在、現地で水源が存在しないため、水を効率的に貯蔵、使用、および回収 (廃水および吐き出された水蒸気から) する必要があります。将来の月探査では、極地の氷から得られる水が使用される可能性があり、火星探査では、大気または氷床からの水が使用される可能性があります。

これまでの宇宙ミッションでは、すべて供給された食糧が使われてきました。生命維持システムには、建物や船内で食物を栽培できる植物栽培システムが含まれる可能性があります。これにより、水と酸素も再生されます。ただし、このようなシステムはまだ宇宙を飛行していません。このようなシステムは、（そうでなければ失われる）栄養素のほとんどを再利用できるように設計できます。これは、たとえば、廃棄物（排泄物）をシステムに再統合し、栄養素が食用作物に吸収されるようにするコンポストトイレによって行われます。作物から得られる食物は、システムのユーザーによって再び消費され、サイクルが継続されます。ただし、関連するロジスティクスとエリア要件により、これまでこのようなシステムを実装することはできませんでした。

ミッションの長さに応じて、宇宙飛行士は宇宙適応症候群、体液の再分配、骨と筋肉量の減少の影響を軽減するために人工重力を必要とする場合があります。宇宙空間で人工的な重量を生成する方法は 2 つあります。

宇宙船のエンジンが往路で船の質量に等しい推力レベルで継続的に推力を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 m/s) の速度で継続的に加速し、乗組員は地球の通常の重力 (1 g) で宇宙船の後方隔壁に向かって引っ張られることになります。この効果は加速率に比例します。宇宙船が中間地点に到達すると、方向転換して逆方向に推力を発生させて減速します。

あるいは、船室が大きな円筒形の壁で設計されていたり、別の船室セクション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たりする場合は、適切な速度で回転させると遠心力が発生し、重力の影響をシミュレートします。ωが船の回転の角速度である場合、半径rでの加速度は次のようになります。

${\displaystyle g=\omega ^{2}r}$

この影響の大きさは回転半径によって変わるので、客室の設計によっては乗務員にとって不便になる可能性があることに注意してください。また、コリオリの力(客室内の動きに対して直角に伝わる力) の影響にも対処する必要があります。また、回転によって前庭障害の影響が悪化する恐れもあります。

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に、短期間のミッションに適した100％酸素雰囲気を備えていました。^[5]

スペースシャトルは、22%の酸素と78%の窒素からなる地球のような大気の混合物を持った最初のアメリカの宇宙船でした。^[5]スペースシャトルの場合、NASAは、乗組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、乗組員室キャビン加圧、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、廃棄物収集システム、廃水タンク、エアロックサポート、船外機動ユニット、乗組員高度保護システム、ペイロード用の放射性同位元素熱電発電機の冷却と気体窒素パージに関するECLSSセクションが含まれています。^[6]

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。^[要出典]ボストーク、ヴォシュコド、ソユーズには、約 101kPa (14.7 psi) の空気のような混合物が含まれていました。^[5] 生命維持システムは、海面分圧で窒素/酸素の雰囲気を提供します。その後、雰囲気は KO2 シリンダーによって再生され、乗組員によって生成された CO2 と水のほとんどが生物学的に吸収されて酸素が再生され、LiOH シリンダーが残りの CO2 を吸収します。^[7]

パラゴン宇宙開発株式会社は、将来の宇宙船向けに、NASAの商業乗組員開発（ CCDev ）資金の一部を使用して、プラグアンドプレイのECLSSである商業乗組員輸送空気再生システム（CCT-ARS）^[8]を開発しています。^[9]

CCT-ARSは、高度に統合された信頼性の高いシステムで、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、火災後大気回復、空気ろ過、キャビン空気循環の7つの主要な宇宙船生命維持機能を提供します。^[10]

宇宙ステーションのシステムには、人間が長期間宇宙空間で生活できるようにする技術が含まれています。このような技術には、人間の排泄物処理や空気生成のための濾過システムが含まれます。

スカイラブは、総圧力 5 psi で 72% の酸素と 28% の窒素を使用しました。^{[引用が必要]}

サリュートとミールの宇宙ステーションには、海面気圧93.1kPa（13.5psi）から129kPa（18.8psi）の空気のような酸素と窒素の混合物が入っており、酸素含有量は21％から40％でした。^[5]

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とBA 330拡張型宇宙船モジュールで建造される。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」が開始されている。^{[11][アップデート]}

アリゾナ州のバイオスフィア 2のような自然の LSS は、将来の宇宙旅行や植民地化のためにテストされています。これらのシステムは、閉鎖生態系システムとも呼ばれています。太陽エネルギーのみを主要エネルギーとして使用し、燃料によるロジスティクス サポートに依存しないという利点があります。自然のシステムは、複数の機能が統合されているため、最高の効率性を備えています。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も提供します。

水中居住施設および表面飽和宿泊施設は、数日から数週間にわたって居住者の生命維持を提供します。居住者は、最大数週間の 減圧義務により、すぐに表面の大気圧に戻ることができません。

表面飽和居住施設の生命維持システムは、圧力下にある人員の生命を維持するために呼吸ガスやその他のサービスを提供します。これには次のコンポーネントが含まれます。^[12]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素化されます。

• ガス圧縮、混合、貯蔵施設
• チャンバー気候制御システム - 温度と湿度の制御、ガスのろ過
• 計測、制御、監視、通信機器
• 消火システム
• 衛生システム

水中居住区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の環境に自由にアクセスできる一方、表面システムに収容された飽和ダイバーは密閉された潜水ベル内で圧力を受けながら作業深度まで移動します。

ベルの生命維持システムは呼吸ガスの主な供給と監視を行い、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。ベルへの主なガス供給、電力、通信は、多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ベルアンビリカルを介して行われます。^[13]これは、ダイバーアンビリカルを介してダイバーまで延長されます。^[12]

居住区生命維持システムは、居住者の健康と快適さのために許容範囲内で室内環境を維持します。温度、湿度、呼吸ガスの品質、衛生システム、機器の機能が監視および制御されます。^[13]

マイクロ生態学的生命維持システム代替案 ( MELiSSA ) は、欧州宇宙機関が主導するイニシアチブであり、人工生態系の挙動を理解し、将来の長期有人宇宙ミッション用の再生型生命維持システムの技術を開発するためのツールとして意図された、微生物と高等植物に基づく生態系として構想されています。

CyBLiSS (「シアノバクテリアベースの生命維持システム」) 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概念であり、シアノバクテリアを使用して火星で利用可能なリソースを直接有用な製品に加工し、バイオ再生生命維持システム(BLSS)の他の主要な生物の基質^{[説明が必要]}にします。^[14]目標は、将来の火星の有人前哨基地を地球から可能な限り独立させ (探検家が「土地から」生活する)、ミッションのコストを削減し、安全性を高めることです。独立して開発されていますが、CyBLiSS は他の BLSS プロジェクト (MELiSSA など) を補完するもので、火星で見つかった材料に接続できるため、火星で持続可能かつ拡張可能になります。閉ループに頼る代わりに、現地で見つかった新しい要素をシステムに取り入れることができます。

• 生体再生型生命維持システム（BLSS） - 人工生態系
• 閉鎖生態系 – 外部と物質を交換しない生態系
• 宇宙飛行が人体に与える影響 – 宇宙飛行に関連する医学的問題
• 環境制御システム – 機内の与圧、気候、空気供給などを維持する航空機システム
• 国際環境システム会議 – 有人宇宙飛行技術と宇宙ヒューマンファクターに関する会議
• ISS ECLSS  – 国際宇宙ステーションの生命維持システム
• 一次生命維持システム – 宇宙服の生命維持装置
• 飽和潜水システム – 飽和潜水プロジェクトを支援する施設
• 宇宙船の熱制御 – 宇宙船のすべての部品を許容温度範囲内に保つプロセス
• 潜水艦#生命維持システム - 水中で独立して操作できる船舶

• バリー、パトリック L. (2000 年 11 月 13 日)。「宇宙ステーションで楽に呼吸」。Science@NASA。2008 年 9 月 21 日時点のオリジナルよりアーカイブ。
• Bell, Trudy E. (2007 年 5 月 11 日)。「『病気の』宇宙船を防ぐ」。Science@NASA。2012 年 7 月 20 日時点のオリジナルよりアーカイブ。
• 「ボランティアがビゲロー社の生命維持装置をテスト」Aviation Week 2010年10月22日。 2010年10月23日閲覧。
• Davis, Jeffrey R.; Johnson, Robert & Stepanek, Jan (2008).航空宇宙医学の基礎. 第 XII 巻. フィラデルフィア PA, USA: Lippincott Williams & Wilkins. pp. 261–264.
• 「国際宇宙ステーションの環境制御および生命維持システム」(PDF) NASA 2010 年12 月 11 日閲覧。
• 「商業乗務員および貨物パラゴン CCDev」。NASA。2010 年 11 月 30 日。
• 「HSF – シャトル: 環境制御および生命維持システム」NASA。2000 年 11 月 9 日時点のオリジナルよりアーカイブ。
• 「Paragon プロジェクト」。Paragon。2011 年 1 月。2011 年 6 月 24 日時点のオリジナルよりアーカイブ。
• 「プレスリリース – パラゴン宇宙開発株式会社、NASA商業乗員開発プログラムの開発マイルストーンをすべて完了」。パラゴン宇宙開発株式会社。2013年1月31日時点のオリジナルよりアーカイブ。2012年11月25日閲覧。
• Sulzman, FM; Genin, AM (1994)。宇宙、生物学、医学、第2巻：生命維持と居住性。アメリカ航空宇宙学会。

• エッカート、ピーター。宇宙飛行生命維持と生物圏。カリフォルニア州トーランス：マイクロコスム・プレス、1996年。ISBN 1-881883-04-3。 
• ラーソン、ワイリー J.、プランケ、リンダ K.編。『有人宇宙飛行：ミッション分析と設計』ニューヨーク：マグロウヒル、1999年。ISBN 0-07-236811 -X。 
• リード、ロナルド D. およびコールター、ゲイリー R.宇宙飛行の生理学– 第 5 章: 103–132。
• エッカート、ピーター、ドール、スーザン。環境制御および生命維持システム（ECLSS） –第17章：539–572。
• グリフィン、ブランド N.、スパムピナート、フィル、およびワイルド、リチャード C.船外活動システム– 第 22 章: 707–738。
• ヴィーランド、ポール・O.、「宇宙における人間の存在のための設計：環境制御および生命維持システム入門」アメリカ航空宇宙局、NASA 参考出版物 RP-1324、1994 年

• 環境制御および生命維持システム (NASA-KSC)
• 献身と努力が次世代の生命維持システムを構築する (NASA、2007 年秋)
• 航空宇宙バイオメディカルおよび生命維持工学 (MIT OpenCourseWare ページ – 2006 年春)
• 宇宙高度生命維持 (パーデュー大学のコースページ – 2004 年春)
• 火星ミッションのための先進的生命維持
• 火星高度生命維持装置
• 火星生命維持システム
• 火星生命維持システムに関する出版物
• 宇宙での個人衛生（カナダ宇宙庁）
• 宇宙における人間の生命維持システムには植物が不可欠