人工重力

人工重力とは、通常は回転によって重力の効果を模倣する慣性力を作り出すことである。^[1] 人工重力、または回転重力とは、回転する基準系における遠心力の出現（回転しない基準系における法線力による求心加速度の伝達）であり、等価原理により重力と区別がつかない直線加速で経験される力とは対照的である。より一般的な意味では、「人工重力」は、例えばロケットエンジンによる直線加速の効果を指すこともある。^[1]

回転模擬重力は、宇宙飛行士が極限状態に備えるための訓練を支援するためのシミュレーションで使用されています。^[2] 回転模擬重力は、長期間の無重力によって引き起こされる健康への悪影響に対する有人宇宙飛行の解決策として提案されています。^{[3]しかし、地球上の重力場の強度 (} g )に匹敵する有用な求心力を 生成するために必要な宇宙船のサイズとコストに関する懸念のため、現在、人間のための人工重力の実用的な宇宙への応用はありません。^[4] 科学者は、そのようなシステムが乗員の内耳に与える影響について懸念しています。懸念されるのは、人工重力を生成するために求心力を使用すると、内耳に障害が発生し、吐き気や見当識障害につながることです。乗員にとって悪影響が耐えられないことが判明する可能性があります。^[5]

回転する宇宙ステーションの場合、宇宙船の船体によって提供される放射状の力が求心力として作用します。したがって、物体が感じる「重力」力は、回転する基準フレームで船体に向かって「下向き」に向くと認識される遠心力です。

ニュートンの第 3 法則によれば、小さなg (知覚される「下向き」の加速度)の値は、求心加速度と大きさが等しく、方向が反対です。これは、ビオン 3 (1975 年) やビオン 4 (1977 年) などの衛星でテストされました。どちらの衛星にも、人工重力環境にいくつかの標本を置くための 遠心分離機が搭載されていました。

居住地とともに回転する人々の観点から見ると、回転による人工重力は通常の重力と同様に動作しますが、次のような違いがあり、宇宙ステーションの半径を増やすことで軽減できます。

• 遠心力は距離によって変化する：実際の重力とは異なり、居住区内の観察者が感じる見かけの力は軸から放射状に外側に押し出され、遠心力は居住区の軸からの距離に正比例します。回転半径が小さい場合、立っている人の頭は足よりも大幅に重力を感じません。^[6]同様に、宇宙ステーション内を移動する乗客は、体のさまざまな部分の見かけの重さの変化を経験します。^[7]
• コリオリの力は、回転する基準フレームに対して動いている物体に作用する見かけの力です。この見かけの力は、運動と回転軸に対して直角に作用し、居住地の回転とは逆の方向に運動を曲げる傾向があります。回転する人工重力環境内の宇宙飛行士が回転軸に向かって、または回転軸から離れて移動すると、回転方向に向かって、または回転方向と反対に押される力を感じることになります。これらの力は内耳の三半規管に作用し、めまいを引き起こす可能性があります。^[8]回転周期を長くすると（回転速度が低いと）、コリオリの力とその影響は減少します。一般に、2  rpm以下ではコリオリの力による悪影響は発生しないと考えられていますが、人間は 23 rpmという高い速度にも適応できることが示されています 。^[9]
• 自転軸や回転速度の変化は人工重力場の乱れを引き起こし、三半規管を刺激する（上記参照）。ステーション内での質量の移動、人の移動も軸をずらし、危険なぐらつきを引き起こす可能性がある。したがって、宇宙ステーションの回転は十分に安定させる必要があり、意図的に回転を変える操作は、感知できないほどゆっくりと行う必要がある。^{[8]ステーションのぐらつきを防ぐ1つの解決策は、必要に応じてステーションのさまざまなセクション間でポンプで送り込むことができる}バラストとして液体の水を使用することである。

1966年のジェミニ11号ミッションでは、36メートルのテザーでつながれた アジェナ宇宙船の周囲にカプセルを回転させることによって人工重力を作り出す試みが行われた。彼らは、サイドスラスターを噴射して結合した宇宙船をスローモーションの一対のボーラのようにゆっくりと回転させることによって、約0.00015 gの小さな人工重力を生成することができた。^[10]結果として生じる力はどちらの宇宙飛行士も感じられないほど小さかったが、物体がカプセルの「床」に向かって動くのが観察された。^[11]

人工重力は、宇宙飛行に関連するさまざまな健康リスクの解決策として提案されてきました。^[5] 1964年、ソビエトの宇宙計画では、心臓と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日以上生きられないと考えられていました。^[12]この恐れは最終的に根拠のないものであることが判明しました。現在、宇宙飛行は最長437日間連続で続き、^[13]国際宇宙ステーションでのミッションは通常6か月続きます。しかし、宇宙での人間の安全性の問題から、無重力への長期曝露による身体的影響の調査が開始されました。1991年6月、スペースラボライフサイエンス1便は、9日間にわたって男性2人と女性2人を対象に18の実験を実施しました。無重力環境では、白血球と筋肉量の反応が減少すると結論付けられました。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％減少しました。^{[14] [4] [1]}長時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]地球に帰還した後も、長時間の無重力状態の影響は人体に影響を及ぼし続け、下半身に体液が溜まり、心拍数が上昇し、血圧が低下し、運動耐性が低下します。^[14]

人工重力は、人体に対する重力の作用を模倣する能力があるため、無重力環境に固有の身体的影響と戦う最も包括的な方法の1つとして提案されてきました。対症療法として提案されている他の対策には、運動、食事、ピンビンスーツなどがあります。しかし、これらの方法に対する批判は、健康上の問題を完全に排除せず、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事実にあります。対照的に、人工重力は、宇宙旅行に固有の無重力を取り除きます。人工重力を実装することにより、宇宙飛行士は無重力やそれに伴う副作用を経験する必要がなくなります。^[1]特に、現代の火星への6か月の旅では、旅行中に宇宙飛行士が極度に衰弱するのを防ぐために、人工重力への曝露は連続的または断続的な形で提案されています。^[5]

いくつかの提案では、人工重力を設計に取り入れています。

• ディスカバリーII：2005年に提案された宇宙船で、172トンの乗組員を118日間で木星の軌道まで運ぶことができる。1,690トンの宇宙船のごく一部に遠心力の乗組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年にNASAが提案した長期有人宇宙輸送機。最大2年間のミッションで最大6人の乗組員の健康を促進すること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る。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利用し、直径40フィート (12 m) のオプションで構築された場合、0.11～0.69 gの重力を生み出す 。^{[17] [18]}
• ISS 遠心分離機デモ: 2011 年に NASA が提案した、マルチミッション宇​​宙探査機用の大型トーラス遠心分離機宇宙居住施設の最終設計の準備となるデモ プロジェクト。構造は外径 30 フィート (9.1 m)、リング内部の断面直径は 30 インチ (760 mm) です。0.08 ～ 0.51  gの部分重力を提供します。このテストおよび評価用遠心分離機は、ISS 乗組員の睡眠モジュールになる機能を備えています。^[17]

• マーズ・ダイレクト： NASAのエンジニア、ロバート・ズブリンとデビッド・ベイカーが1990年に作成した有人火星ミッションの計画。後にズブリンの1996年の著書『火星へのケース』で詳細が述べられた。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「火星居住ユニット」は、使用済みのブースター上段を居住ユニットに結び付け、両者を共通の軸の周りで回転させることにより、飛行中に人工重力を発生させる予定だった。^[19]
• 提案されているTempo3ミッションは、テザーで接続された宇宙船の2つの半分を回転させ、火星への有人ミッションで重力をシミュレートする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与える影響を研究することを目的とした計画だった。回転（毎分32回転、半径約30センチ）によって、0.38 グラム（火星の表面重力に相当）の人工重力場が作られる予定だった。15匹のマウスが5週間地球を周回し（低軌道）、その後生きて着陸する予定だった。^[21]しかし、この計画は資金不足とNASAの優先順位の変更により、2009年6月24日に中止された。^[22]
• Vast Spaceは、回転宇宙船のコンセプトを使用して世界初の人工重力宇宙ステーションの建設を提案している民間企業です。^[23]
• 火星探査に備えて、月に火星重力シミュレーターを建設できるかもしれない。火星の表面重力は、月の2倍強である。洞窟や溶岩洞の中に、大きな低圧の泡と、その中に最大20個の高圧回転トーラスを建設することが提案されている。火星の表面重力が火星の2倍以上ある地球に人々が帰還する準備として、火星に同様のシステムを構築できるかもしれない。

人工重力が今日でも宇宙飛行で使われていない理由のいくつかは、実装に固有の問題に遡ります。人工重力を作り出す現実的な方法の 1 つは、回転する構造物の床の向心力が人を押し上げることによって生じる遠心効果です。しかし、このモデルでは、宇宙船のサイズに問題が生じます。ジョン・ペイジとマシュー・フランシスが述べたように、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になります。したがって、重力をシミュレートするには、ゆっくり回転する大型の宇宙船を使用する方がよいでしょう。

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に異なる力がかかることによる。回転軸に近い物体の各部が軸から遠い部分と著しく異なる力を受けると、悪影響が生じる可能性がある。さらに、宇宙船全体の軌道の安定性を乱すことなく、最初に回転運動を設定するための最良の方法は何かという疑問が残る。現時点では、回転要件を満たすほど巨大な宇宙船はなく、そのような宇宙船の建造、維持、打ち上げにかかるコストは膨大である。 ^[4]

一般的に、今日の宇宙飛行は一般的に短いため、健康への悪影響は少なく、また、まだ本当に必要とされていない技術の研究に非常に多額の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阻害され、散発的なものとなっている。^{[1] [14]}

典型的な宇宙飛行の長さが長くなるにつれて、そのような長い宇宙飛行における乗客のための人工重力の必要性も間違いなく高まるでしょうし、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おそらく増加するでしょう。要約すると、人工重力技術の開発を完了するのに適した条件が整うまでにどれくらいの時間がかかるかは、おそらく時間の問題でしょう。人工重力技術は、宇宙飛行の平均長さが最終的に必然的に長くなるにつれて、ある時点でほぼ確実に必要になるでしょう。^[24]

いくつかの SF 小説、映画、シリーズでは人工重力の生成が取り上げられています。

• 映画『2001年宇宙の旅』では、ディスカバリー宇宙船の回転遠心分離機が人工重力を生み出しています。
• 1999 年のテレビシリーズ『カウボーイビバップ』では、ビバップ宇宙船の回転リングが宇宙船全体に人工重力を作り出します。
• 小説『オデッセイ』では、ヘルメス宇宙船は設計上人工重力を実現しており、リング状の構造を採用し、その外周部では火星の重力と同様に地球の重力の約 40% の力が発揮される。
  • 同じ著者の小説「ヘイル・メリー計画」では、ヘイル・メリー号の重量は当初はエンジン推力によって供給されており、この船は2 ɡまで一定に加速することができ、また、軌道上で分離して乗員室を内側に向け、回転して1 ɡを生み出すこともできる。
• 映画「インターステラー」には、船内の逆噴射装置によって制御され、中心軸を中心に回転して人工重力を作り出すことができるエンデュランスと呼ばれる宇宙船が登場します。
• 2021年の映画「ストウアウェイ」では、ロケットの上段が450メートルのテザーで船体の主胴体に接続され、慣性ベースの人工重力のカウンターウェイトとして機能している様子が描かれている。^[25]
• 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自社の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、フェニックスと改名されたが、スラスターで制御される車輪のような構造を特徴とし、人工重力を作り出し、中央の軸ハブがドッキングステーションとして無重力状態で動作する。

直線加速は人工重力を生成するもう 1 つの方法で、宇宙船のエンジンからの推力を利用して重力の下にあるという錯覚を作り出します。直線上で一定の加速を受けている宇宙船は、エンジンからの推力によって宇宙船が船内の物体や人に「押し上げられる」ため、加速の方向とは反対の方向に重力がかかっているように見えます。そのため、重量感が生じます。これは、ニュートンの第 3 法則によるものです。直線加速している宇宙船の中に立っているときに感じる重さは、真の重力によるものではなく、宇宙船の船体が押し返すときに自分が船体を押している反作用に過ぎません。同様に、宇宙船が加速していなければ宇宙船内で自由に浮遊している物体は、ニュートンの第一法則の結果として、加速し始めるとエンジンに向かって「落下」する。つまり、浮遊している物体は静止したまま、宇宙船はそれに向かって加速し、内部の観察者には物体が「落下」しているように見える。

地球上の人工重力を模倣するために、直線加速重力を使用する宇宙船は、エンジンを最下層の「床」として、高層ビルに似た構造になる場合があります。宇宙船が 1  g (地球の重力) の速度で加速すると、内部の人々は船体に同じ力で押し付けられ、地球にいるかのように歩いたり行動したりできるようになります。

この形態の人工重力が望ましいのは、宇宙船全体にわたって均一で一方向の重力場という錯覚を機能的に作り出せるためであり、大きな回転リングを必要とせず、回転リングの磁場は宇宙船に対して均一でなく、一方向でもなく、一定の回転も必要としない。また、これは比較的高速であるという利点もある。 旅程の前半を1 g、9.8 m/s ²で加速し、残りの半分を減速する宇宙船は、数日以内に火星に到着できる。 ^[26]同様に、 1年間1 gの 一定加速度を使用する仮想的な宇宙旅行は、相対論的な速度に達し、最も近い恒星であるプロキシマ・ケンタウリへの往復旅行を可能にする。このように、低衝撃だが長期的な直線加速は、さまざまな惑星間ミッションに提案されている。例えば、火星への重い（100トン）貨物ペイロードでも27ヶ月で火星に輸送でき、火星軌道に到着したときにLEO車両の質量の約55％を保持し、全行程を通じて宇宙船に低重力勾配を提供することができます。^[27]

ただし、この形式の重力には課題がないわけではありません。現在、地球の重力に匹敵する速度に達するのに十分な速度で船を推進できる唯一の実用的なエンジンは、化学 反応ロケットです。これは、反応物質を排出して推力を得るため、加速は船に燃料がある限りしか持続しません。また、重力の影響を維持するために、船は常に加速し、一定の速度でいる必要があるため、静止している間は重力がなく、船が 1 gより上または下に加速すると 、 g力に大きな変動が生じる可能性があります。さらに、地球から火星への移動などの2地点間の旅では、船は旅程の半分の間常に加速し、エンジンを停止し、180°反転し、エンジンを再起動し、目標目的地に向かって減速を開始する必要があり、反転中は船内のすべてのものが無重力状態になり、場合によっては固定される必要があります。

非常に高い比推力（つまり、運ばれて旅の推進力として使われる反応質量の使用効率が高い）を持つ推進システムは、よりゆっくりと加速して、長期間にわたって有用なレベルの人工重力を生み出すことができる。さまざまな電気推進システムがその例である。この長時間、低推力、高推力の推進システムの例として、宇宙船で実際に使用されているか、近い将来に宇宙での使用が計画されている 2つの例として、ホール効果スラスタと可変比推力磁気プラズマロケット（VASIMR）がある。どちらも非常に高い比推力を提供するが、より一般的な化学反応ロケットと比較すると推力は比較的低い。したがって、宇宙船で限定的ではあるが長期間にわたってミリグラムレベルの人工重力を提供する長時間噴射には最適である。^[要出典]

多くの SF の筋書きでは、加速は、まだ理論的または仮説的な手段によって推進される恒星間宇宙船の人工重力を生成するために使用されています。

この直線加速の効果はよく理解されており、 上段ロケットの打ち上げ後（後続）の宇宙空間での燃焼における0g極低温流体の管理に日常的に使用されています。^[28]

ジェットコースター、特に発射型ジェットコースターや電磁推進を利用するジェットコースターは、直線加速「重力」を提供できます。スポーツカーなどの比較的加速力の高い乗り物も同様です。直線加速は、ジェットコースターやその他のスリル満点の乗り物で滞空時間を提供するために使用できます。

2022年1月、サウスチャイナ・モーニング・ポストは、中国が磁石の力を借りて月の低重力をシミュレートするための小さな（直径60センチメートル（24 インチ） ）研究施設を建設したと報じた。^{[29] [30]この施設は、}アンドレ・ガイム（後にグラフェンの研究で2010年のノーベル物理学賞を共同受賞）とマイケル・ベリーの研究に部分的に触発されたと伝えられている。ガイムとベリーは、 2000年にカエルの磁気浮上によりイグ・ノーベル物理学賞を共同受賞した。 ^{[29] [30]}

ウェイトレス ワンダーは、放物線軌道を飛行する NASA 航空機の愛称です。簡単に言うと、宇宙飛行士の訓練、研究、映画の撮影を行うためのほぼ無重力環境を提供します。放物線軌道は、重力と同じ垂直直線加速度を生み出し、通常 20 ～ 30 秒間、ゼロGになり、その後、同様の期間、約 1.8 G になります。また、この放物線軌道を飛行する航空機の乗客がしばしば経験する乗り物酔いを指して、嘔吐彗星という愛称も使われています。このような低重力航空機は、現在、世界中のいくつかの組織によって運用されています。^[要出典]

無重力実験室（NBL）は、テキサス州ヒューストンにあるNASAジョンソン宇宙センターのソニー・カーター訓練施設にある宇宙飛行士の訓練施設です。^[31] NBLは世界最大の屋内プールで、^{[32]宇宙飛行士は宇宙ミッションに備えて模擬}船外活動を行うことができます。NBLには、スペースシャトルの貨物室、飛行ペイロード、国際宇宙ステーション（ISS）の実物大の模型が展示されています。 ^[33]

中性浮力の原理は、宇宙の無重力環境をシミュレートするために使用されます。^{[31]宇宙服を着た宇宙飛行士は、}頭上クレーンを使用してプールに降ろされ、サポートダイバーによって重量が調整され、浮力と質量中心の周りの回転モーメントが発生しません。 [ 31 ] NBLで^着用される宇宙服は、スペースシャトルや国際宇宙ステーションで使用されているような完全な飛行定格のEMUスーツよりもダウングレードされています。

NBLタンクは長さ202フィート（62メートル）、幅102フィート（31メートル）、深さ40フィート6インチ（12.34メートル）で、620万ガロン（2,350万リットル）の水が入っています。^{[33] [34]}ダイバーはタンク内で作業中にナイトロックスを呼吸します。 ^{[35] [36]}

プールでの中性浮力は無重力ではありません。内耳のバランス器官が依然として重力の上下方向を感知しているからです。また、水によってかなりの抵抗が生じます。^[37]一般的に、水中でゆっくりと作業を行うことで抵抗の影響は最小限に抑えられます。プールでの中性浮力シミュレーションと宇宙飛行中の実際の船外活動とのもう1つの違いは、プールの温度と照明条件が一定に保たれていることです。

SFでは、回転も加速もしていない宇宙船に人工重力（または重力のキャンセル）または「パラグラビティ」^{[38] [39]}が存在することがある。現在のところ、実際の回転や加速以外の重力をシミュレートできる技術は確認されていない。そのような装置については、長年にわたって多くの主張がなされてきた。ロシアのエンジニアであるユージン・ポドクレトノフは、1990年代初頭から、強力な「重力磁場」を生成する回転する超伝導体からなるそのような装置を作成したと主張してきたが、第三者による検証はなく、否定的な結果さえも得られていない。2006年、ESAの資金提供を受けた研究グループは、わずか0.0001 gしか生成しなかったものの、重力磁気の生成に肯定的な結果を示した同様の装置を作成したと主張した 。^[40]この結果は再現されていない。

ウィキメディア・コモンズには、人工重力に関連するメディアがあります。

• 人工重力に関する査読論文リスト
• 人工重力についてのTEDxトーク
• SFと宇宙科学における人工重力の概要 2010年5月27日アーカイブ、Wayback Machine
• NASA の人工重力の Java シミュレーション
• 可変重力研究施設 (xGRF)、テザー回転衛星、おそらくビゲロー 拡張モジュール、カウンターウェイトとしての使用済み上段ステージを備えたコンセプト