人工重力

人工重力は、宇宙飛行に伴うさまざまな健康リスクに対する解決策として提案されてきた。^{[ 5 ]} 1964年、ソ連の宇宙計画では、心臓や血管が無重力状態に適応できないことを恐れて、人間は宇宙で14日以上生存できないと考えられていた。 ^{[ 12 ]}この恐れは最終的に根拠がないことが判明し、現在では宇宙飛行は連続437日間まで続き、^{[ 13 ]}国際宇宙ステーションでのミッションは通常6か月間続く。しかし、宇宙での人間の安全性の問題は、無重力への長期曝露による身体的影響の調査を開始させた。1991年6月、スペースシャトルSTS-40飛行のスペースラブ生命科学1は、 9日間にわたって2人の男性と2人の女性を対象に18の実験を行った。無重力環境では、白血球と筋肉量の反応が減少することが結論付けられた。さらに、無重力環境で過ごした最初の24時間以内に血液量が10%減少した。^{[ 14 ] [ 4 ] [ 1 ]}長期間の無重力状態は、脳の腫れや視力障害を引き起こす可能性があります。^{[ 15 ]}地球に帰還すると、長期間の無重力状態の影響は人体に引き続き及び、体液が下半身に溜まり、心拍数が上昇し、血圧が低下し、運動に対する耐性が低下します。^{[ 14 ]}

人工重力は、人体に対する重力の作用を模倣できることから、無重力環境に内在する身体的影響に対処する最も包括的な方法の1つとして提案されている。症状治療として提案されている他の対策には、運動、食事、およびピングビンスーツがある。しかし、これらの方法に対する批判は、健康問題を完全に解消するものではなく、すべての問題に対処するためにさまざまな解決策が必要であるという点にある。対照的に、人工重力は宇宙旅行に内在する無重力を取り除くことになる。人工重力を導入することで、宇宙旅行者は無重力やそれに伴う副作用を経験する必要がなくなる。^{[ 1 ]}特に現代の6か月間の火星旅行では、宇宙飛行士が旅行中に極度の衰弱に陥るのを防ぐために、人工重力への曝露を継続的または断続的に行うことが提案されている。^{[ 5 ]}

いくつかの提案では、人工重力を設計に組み込んでいる。

• 組み立て式トーラス型有人宇宙実験室：1960年から1962年にかけて、ラングレー研究センターがグッドイヤー・エアクラフト社と共同で計画したプログラム。直径24フィートの膨張式回転ナイロン製トーラスを開発し、6名の乗組員を収容し、既存のマーキュリー計画の技術を用いて打ち上げることを目的としていた。しかし、穴が開いたり、制御不能に陥ったりする恐れがあったため、計画は中止された。

• コスモス936号：1977年にソビエト連邦が打ち上げた共同医療研究衛星で、ラットに対する遠心人工重力の影響を研究する実験が含まれていた。遠心分離機に入れられたラットは、遠心分離機に入れられなかったラットよりも帰還後の骨密度が高かったが、地球上に残ったラットほど高くはなかった。

• ディスカバリーII：2005年に提案された、172トンの乗員を118日で木星の軌道に送り届けることができる宇宙船。1,690トンの宇宙船のごく一部に遠心式乗員ステーションが組み込まれる予定。^{[ 16 ]}
• マルチミッション宇​​宙探査機（MMSEV）：2011年のNASAの提案で、長期間有人宇宙輸送機として提案されたもの。最大6名の乗組員が最長2年間のミッションに従事し、乗組員の健康増進を目的とした回転式人工重力宇宙居住施設が含まれていた。トーラスリング遠心分離機は、標準的な金属フレームと膨張式宇宙船構造の両方を使用し、直径40フィート（12m ）のオプションで建造した場合、0.11～0.69gの重力を提供する。^{[ 17 ] [ 18 ]}  
• ISS遠心分離機デモ：多目的宇宙探査機（MSEV）用の大型トーラス型遠心分離機宇宙居住モジュールの最終設計に先立つ実証プロジェクトとして、2011年にNASAが提案したもの。構造は外径30フィート（9.1m ）、リング内径760mmとなる。0.08 ～ 0.51gの部分重力を提供する。この試験評価用遠心分離機は、ISS乗組員の睡眠モジュールとなる可能性を秘めている。^{[ 17 ]}   
• マーズ・ダイレクト： 1990年にNASAのエンジニア、ロバート・ズブリンとデビッド・ベイカーによって作成された有人火星探査計画で、後にズブリンの1996年の著書『火星への提言』で詳細に説明された。「火星居住ユニット」は、宇宙飛行士を火星に運び、先に打ち上げられた「地球帰還機」と合流させる予定で、ブースターの上段を居住ユニットに結び付け、両方を共通の軸を中心に回転させることで、飛行中に人工重力を発生させる計画だった。^{[ 19 ]}
• 提案されているテンポ3ミッションは、テザーでつながれた宇宙船の2つの半分を回転させ、有人火星ミッションで重力をシミュレートする実現可能性をテストします。^{[ 20 ]}

• 火星重力バイオサテライトは、人工重力が哺乳類に及ぼす影響を研究することを目的とした計画でした。0.38 g （火星の表面重力に相当）の人工重力場は、回転（32 rpm、半径約 30 cm）によって生成される予定でした。15 匹のマウスが5 週間低地球軌道（LEO ）を周回し、その後生きたまま着陸する予定でした。^{[ 21 ]}しかし、資金不足と NASA の優先順位の変更により、この計画は 2009 年 6 月 24 日に中止されました。^{[ 22 ]} 
• Vast Spaceは、回転式宇宙船の概念を用いて世界初の人工重力宇宙ステーションを建設することを提案している民間企業である。^{[ 23 ]}

人工重力が今日宇宙飛行で利用されていない理由のいくつかは、その実装に内在する問題に起因している。人工重力を生み出す現実的な方法の一つは、回転構造物の床が人を押し上げる求心力によって生じる遠心効果である。しかし、このモデルでは、宇宙船のサイズに問題が生じる。ジョン・ペイジとマシュー・フランシスが指摘するように、宇宙船が小さいほど（回転半径が短いほど）、より速い回転が必要となる。そのため、重力をシミュレートするには、よりゆっくりと回転する大型の宇宙船を利用する方が良いだろう。

回転に関するサイズ要件は、回転軸からの距離が異なる物体の各部分にかかる力が異なることに起因します。回転軸に近い物体の部分が、軸から遠い部分と比べて著しく異なる力を受ける場合、悪影響が生じる可能性があります。さらに、宇宙船全体の軌道の安定性を損なうことなく、回転運動を最初に設定する最善の方法は何かという疑問が残っています。現時点では、回転要件を満たすほど質量のある宇宙船は存在せず、そのような宇宙船の建造、維持、打ち上げに関連するコストは莫大です。^{[ 4 ]}

一般的に、今日の通常より短い宇宙飛行では健康への悪影響が少ないこと、そしてまだ本当に必要とされていない技術の研究に莫大な費用がかかることから、人工重力技術の現在の開発は必然的に停滞し、散発的になっている。^{[ 1 ] [ 14 ]}

一般的な宇宙飛行の期間が長くなるにつれて、そのような長時間の宇宙飛行における乗客のための人工重力の必要性も確実に高まり、そのような人工重力を作り出すために利用できる知識とリソースも確実に増加するでしょう。要するに、人工重力技術の開発を完了するための条件が整うまでどれくらいの時間がかかるかは、おそらく時間の問題であり、宇宙飛行の平均期間が最終的に必然的に長くなるにつれて、いずれは人工重力技術が必要になることはほぼ確実です。^{[ 24 ]}

人工重力生成は、数多くのSF小説、映画、ドラマシリーズで取り上げられてきた。

• 映画『2001年宇宙の旅』では、ディスカバリー号に搭載された回転式遠心分離機が、宇宙飛行士に人工重力を与えている。宇宙ステーション5号は全体が回転し、外側のリング状の空間に人工的な1Gの重力を発生させている。中央のドッキングハブは、ほぼ無重力状態に近い。
• 1999年のテレビシリーズ『カウボーイビバップ』では、ビバップ号の宇宙船に搭載された回転リングが、宇宙船全体に人工重力を発生させる。
• 小説『火星の人』では、ヘルメス宇宙船は設計によって人工重力を実現している。環状構造を採用しており、その外周部では地球の重力の約40％に相当する重力がかかる。これは火星の重力に似ている。
  • 同じ著者の小説『プロジェクト・ヘイル・メアリー』では、タイトルにもなっている宇宙船ヘイル・メアリー号の重量は、当初はバイオエンジンの推力によって賄われている。この宇宙船は最大2Gの一定加速度を出すことができ、また、分離して乗員室を内側に回転させ、軌道上で1Gの推力を発生させることもできる。
• 映画『インターステラー』には、エンデュランス号と呼ばれる宇宙船が登場する。この宇宙船は、船体に搭載された逆噴射スラスタによって制御され、中心軸を中心に回転することで人工重力を発生させることができる。
• 2021年の映画『ストーアウェイ』では、打ち上げロケットの上段が450メートルもの長さのテザーで船のメインハルに接続され、慣性を利用した人工重力のカウンターウェイトとして機能している。^{[ 25 ]}
• ドラマシリーズ『エクスパンス』では、様々な宇宙ステーションや宇宙船において、回転重力と直線推力重力の両方が利用されている。特に、タイコ・ステーションと世代宇宙船LDSSナウーは回転重力を使用している。直線重力は架空の「エプスタイン・ドライブ」によって提供されており、その開発者ソロモン・エプスタインは初飛行時に高重力による負傷で死亡した。
• テレビシリーズ『フォー・オール・マンカインド』に登場する宇宙ホテル「ポラリス」は、後にヘリオス・エアロスペース社が火星探査ミッションのために購入し、宇宙船に改造した後に「フェニックス」と改名されるが、人工重力を発生させるためにスラスタで制御される車輪状の構造を持ち、中央の軸ハブは無重力状態でドッキングステーションとして機能する。