宇宙開発クロニクル - 宇宙服の技術史：船外活動を支える生命維持と運動性能への挑戦

宇宙服の技術史：船外活動を支える生命維持と運動性能への挑戦

Tags: 宇宙服, 船外活動, EVA, 生命維持システム, 宇宙技術, 宇宙開発史

はじめに：宇宙服が拓く宇宙のフロンティア

人類が宇宙空間へ進出し、地球軌道上や惑星の表面で活動するためには、過酷な宇宙環境から身体を守り、生命を維持するための特別な装備が不可欠です。その最も重要な要素の一つが「宇宙服」です。宇宙服は単なる衣服ではなく、宇宙船の外で活動する宇宙飛行士にとって、極限環境におけるミニチュア宇宙船とも言える存在です。本記事では、船外活動（Extravehicular Activity: EVA）を可能にした宇宙服技術の歴史をたどり、その開発における技術的な挑戦、直面した課題、そしてそれを克服するための革新的な取り組みについて深く掘り下げます。

宇宙服技術の黎明期：船外活動への第一歩

宇宙服の開発は、有人宇宙飛行の初期段階から始まりました。当初の目的は、与圧が失われた場合の緊急脱出や、高高度飛行におけるパイロットの生命維持でしたが、宇宙空間での作業、すなわち船外活動を視野に入れた開発が本格化するのは、宇宙開発競争が激化する中でです。

ソ連は1965年3月18日、ボスホート2号ミッションにおいて、アレクセイ・レオーノフ宇宙飛行士が人類史上初の船外活動を成功させました。この際に使用された宇宙服は「ベルクート（Berkut）」と呼ばれるもので、船内服の上から着用する緊急用に近いものでした。与圧下では非常に硬くなり、レオーノフ氏は船室へ戻る際に大きな困難を伴いました。

一方、米国もジェミニ計画で船外活動技術の開発を進めました。1965年6月3日、ジェミニ4号のエド・ホワイト宇宙飛行士が米国初の船外活動を実施しました。使用された宇宙服は「G4C」で、ソ連のベルクートよりも洗練されていましたが、やはり与圧による硬化や、宇宙服内の温度上昇といった課題に直面しました。初期の船外活動は短時間であり、技術的な限界が明らかになりました。

アポロ計画時代の宇宙服：月面への挑戦を支えた技術

アポロ計画では、月面というさらに過酷な環境での活動が求められました。これに対応するため、全く新しい宇宙服「A7L」シリーズが開発されました。アポロ宇宙服は、真空・極温・放射線といった宇宙環境に加え、月の砂（レゴリス）による汚染や摩耗への対策、そして約6時間に及ぶ月面活動に対応できる生命維持能力が必須でした。

アポロ宇宙服は、複数の層からなる複合材で構成されていました。内側には気密層、その外側に拘束層、そしてさらに外部環境からの保護と断熱のための多層断熱材（MLI）や耐摩耗性の外層が重ねられました。特筆すべき技術は、液体冷却下着（Liquid Cooling Garment: LCG）です。これは身体に密着するメッシュ状のチューブに冷却水を循環させることで、宇宙飛行士が活動によって発生する熱を効果的に除去する画期的なシステムでした。

また、背中に背負う携帯型生命維持パック（Portable Life Support System: PLSS）は、酸素供給、二酸化炭素除去、湿度・温度制御、通信機能などを一体化したもので、宇宙服単体での長時間の自律活動を可能にしました。アポロ宇宙服は、月面での歩行、サンプル採取、機器設置といった作業を行うための運動性能も考慮されていましたが、与圧下での動きの制限は依然として大きな課題でした。

スペースシャトル・ISS時代の宇宙服：多用途性と長時間活動への対応

スペースシャトル計画以降、宇宙服はモジュール化され、より長時間の船外活動や、国際宇宙ステーション（ISS）の建設・維持といった複雑な作業に対応できるよう進化しました。米国の主な宇宙服は「Extravehicular Mobility Unit (EMU)」です。

EMUは、上下半身、腕部、ヘルメットなどを個別に交換できるモジュール構造を採用しており、異なる体格の宇宙飛行士に対応しやすくなりました。与圧はアポロ時代の3.9 psi（約0.27気圧）から4.3 psi（約0.3気圧）に引き上げられ、より安全マージンが増しました。生命維持システムも改良され、最大8時間の活動が可能になりました。

EMUにおける技術的挑戦の一つは、運動性能の向上です。肘や膝、肩、腰などには特殊なベアリングやジョイントが採用され、与圧下でもある程度の自由な動きを確保するための工夫が凝らされました。しかし、高価であり、整備に手間がかかること、そして運動性の限界は依然として課題として残りました。ISSにおける船外活動は、しばしば複雑なロボットアーム操作や精密な組み立て作業を伴うため、宇宙服の操作性が重要視されます。

課題と克服：進化を促す技術的ハードル

宇宙服開発は常に技術的な課題との戦いでした。主な課題は以下の通りです。

与圧と運動性の両立: 宇宙服は内部を与圧することで生命を維持しますが、高い圧力は服を硬化させ、動きを制限します。これを克服するため、様々な関節構造（ベアリング、ガセットなど）や、与圧を部分的に行う差圧服の研究なども行われてきました。EMUでは、関節部に多層構造と精密なメカニズムを組み合わせることで、与圧下での可動域を拡大しています。
熱制御: 真空空間では熱伝導や対流が起こりません。直射日光下では極めて高温に、日陰では極めて低温になります。これを制御するため、多層断熱材による遮熱、液体冷却下着による体温調節、放射率を調整した外層材の使用などが不可欠です。
放射線防御: 宇宙空間には有害な放射線が飛び交っています。宇宙服の構造材やヘルメットのバイザーには、放射線遮蔽能力を持たせるための材料が検討・採用されています。
信頼性と安全性: 宇宙服の故障は宇宙飛行士の生命に直結します。全てのコンポーネントに高い信頼性が求められ、冗長性（バックアップシステム）が設計に組み込まれています。宇宙デブリや微小隕石からの損傷リスクも考慮され、外層材には耐衝撃性・耐貫通性のある素材が使用されています。
長期使用と整備: ISSでの長期滞在に伴い、宇宙服の長期使用と軌道上での整備・修理能力が重要になりました。EMUはモジュール交換が可能であり、宇宙飛行士自身による簡単なメンテナンスや、軌道上での専門的な修理作業も行われています。

影響と意義：宇宙開発における宇宙服の役割

宇宙服技術の進化は、宇宙開発の可能性を大きく広げてきました。船外活動が可能になったことで、宇宙船の修理、科学機器の設置・回収、宇宙ステーションの組み立て・維持、さらには月面や将来的な火星表面での探査といった、ロボットだけでは困難な複雑な作業が可能になりました。ISSの巨大構造は、数千時間に及ぶ船外活動によって建設・維持されています。

宇宙服技術はまた、将来の月・火星探査、さらには小惑星探査といった深宇宙ミッションにおいても、その重要性を増しています。より長時間の活動、より厳しい環境（例えば、火星の砂嵐や異なる大気組成）、そしてより遠隔地での自律的な運用に耐えうる、次世代の宇宙服の開発が現在も進められています。

結論：進化し続ける宇宙服技術

宇宙服は、人類が地球という揺りかごを離れて宇宙空間で活動するための基盤技術の一つです。その歴史は、真空、極温、放射線、そして与圧下での運動性といった根本的な課題に挑み、革新的な技術でそれを克服してきた軌跡でもあります。初期の限られた機能の服から、アポロ時代の自律型生命維持システムを持つ月面服、そしてISSにおける多用途・長時間活動に対応するEMUへと進化を遂げてきました。

現在も、月面や火星探査を見据えた新しい宇宙服の開発が進んでいます。例えば、NASAの次世代宇宙服「xEVA」や「Artemis」プログラムで計画されている月面宇宙服は、より広い可動域、耐久性、そして過酷な惑星表面環境への適応を目指しています。宇宙服技術の絶え間ない進化は、人類が宇宙のさらなるフロンティアを開拓していく上で、今後も不可欠な要素であり続けるでしょう。