ispaceがルクセンブルク政府と連携、月面探査が活発に

日本の民間宇宙企業ispaceが、ルクセンブルクの「SpaceResources.lu」計画に参加することを発表しました。宇宙資源開発の分野で外国政府と連携するのは日本で初めてのことです。

ispaceは”宇宙を人類の生活圏にする”というビジョンを掲げています。月にある水や月面を覆うレゴリスという砂などの調査を行い、月資源の活用を目指しています。現在は主に、月面探査車(ローバー)の開発に取り組んでいて、月面探査レース「Google Lunar XPRIZE」に出場中の日本チーム「HAKUTO」の運営も行っています。

「SpaceResources.lu」計画は、ルクセンブルク政府による、宇宙資源を商業に利用するための支援計画です。ルクセンブルク科学技術研究所(LIST)が中心となり、諸外国と連携して月や小惑星などにある宇宙資源の開発を行っています。今回の発表によると、LISTが開発した、物質を特定しその質量も測ることができる質量分析計を、ispaceが開発するローバーに搭載します。月にある水の分布をマッピングしたり、レゴリスの成分を測定したりすることが目的です。

では、月の資源はどのように利用されるのでしょうか?例えば、水を水素と酸素に分解することで、月面から打ち上げるロケットの燃料に利用できます。また、レゴリスは焼き固めることで、レンガやガラスとして月面基地の資材に利用できます。他にも鉄やアルミニウムといった鉱物があり、月での利用はもちろん、地球に届けて使うことも考えられます。

ispaceとルクセンブルクのように国際的な協力や技術の進歩によって、月面開発は急速に進んでいます。月に採掘場やロケットの発射台ができ、宇宙船が地球と月を行き来する時代は近いかもしれません。そんな時代を目指すispaceの活躍に期待です。
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アポロ11号から見た、地球が月の水平線から昇る瞬間
Image Credit:NASA

凍りづけから動物を守るタンパク質
~ISS「きぼう」における氷の結晶成長実験~

2013年11月から約半年間、ISSの「きぼう」船内実験室において、JAXAと北海道大学は宇宙の微重力環境で氷の結晶がどのように成長するかを観察する実験を行いました。この実験によって、寒冷環境に住む動物体内の水が凍らないしくみが明らかになろうとしています。

結晶成長
図1 左から右へと氷の結晶が成長していく様子。氷の結晶が成長していく過程は非常に複雑で、それゆえに世にも美しい形状を作り上げることが知られている。Image Credit: JAXA

 氷点下の環境に住む魚が凍結せずに生きられるしくみの謎を解き明かすためには、”不凍糖タンパク質”と呼ばれるタンパク質が大きな鍵を握っています。今回の実験から、不凍糖タンパク質を含んだ水はある特定の方向に対して純水の3~5倍の速さで結晶が成長することが分かりました。「結晶の成長を速くする」と聞くと一見、水の凍結を促進しているように思えるかもしれません。しかし、ある一点に向かう方向に結晶成長を押し進めることで氷の結晶を小さく収め、結果的に凍結を抑制しているのです。

結晶成長 模式図
図2 不凍糖タンパク質を含む水中で氷の結晶が成長する速さを表した図。矢印の方向が異なる3種類の面は成長する速度がそれぞれ異なり、不凍糖タンパク質の作用で氷の結晶が小さく収まるように調整される。Image Credit: JAXA

 今回のような実験を地上ではなく、あえて宇宙で行うことには大きな理由があります。氷の結晶が成長するのを観察するにあたって、外部からの刺激は天敵です。特に問題となる「対流」は熱を伝えるために起こる流体の流れであり、地上の重力が原因で起こる現象です。このような理由から、微重力下で実験を行うことで、より精密な結果を得られるのです。
 今後、凍結を防ぐ働きを持つタンパク質のメカニズムが解明されることによって様々な分野への活用が期待されています。まず、寒冷環境に住む動物がいかに寒さに負けず生き残るか、その戦略を解明するための第一歩となります。また、食品分野や医療分野においても、冷凍食品の品質や臓器移植における臓器などの保存に利用できると考えられています。
 宇宙から私たちの生活へ。遠い存在に思える宇宙が身近に感じられる仕事の一例として、これからいっそう注目が集まるトピックとなるでしょう。

ジオスペース探査衛星「あらせ」、いよいよ観測開始!

「あらせ」定常運用へ移行

2016年12月20日に打ち上げられたジオスペース探査衛星「あらせ」が、軌道上で衛星システムの確認と、搭載していた九つの観測機器の立ち上げを完了したため、観測を開始しました。

「あらせ」の目的は、ジオスペースにあるヴァン・アレン帯と呼ばれる領域で高エネルギー粒子を観測することです。ジオスペースとは地球周辺の宇宙空間のことです。太陽が放出するプラズマの流れである太陽風の影響を、ダイレクトに受ける場所でもあります。その中でもエネルギーの高いイオンや電子が集まっている放射線帯を、発見者の名前をとってヴァン・アレン帯と呼びます。ヴァン・アレン帯についてはまだはっきりとわかっていない部分があり、「あらせ」はそれを明らかにするための衛星です。

何故ヴァン・アレン帯を調べるのかというと、宇宙天気予報に役立てるためです。宇宙天気は主に人工衛星に影響を与えます。例えばヴァン・アレン帯で太陽風が乱れると、高エネルギー粒子に囲まれた人工衛星は異常動作を起こすことがあります。人工衛星は天気予報や通信など、私たちの生活に欠かせないものとなっています。ヴァン・アレン帯の調査、高エネルギー粒子の変動メカニズムの解明は人工衛星の安全な運用につながり、私たちの生活に役立ちます。

ヴァン・アレン帯での調査における重要な課題の一つに放射線があります。「あらせ」は強い放射線に耐えつつ高精度の観測を行うために放射線耐性の高い部品や材料、放射線シールドの採用などの工夫をしています。

あらせによるヴァン・アレン帯の調査は、未来の人工衛星の安全な運用につながります。また、「あらせ」に搭載された九つの観測機器と放射線対策には、最先端の技術が詰め込まれており、ヴァン・アレン帯の調査だけでなく将来の宇宙開発にも大いに役立つことでしょう。あらせの今後に期待ですね。

金星探査機「あかつき」が発見した
巨大弓状模様の謎を解明

2015年12月に金星探査機「あかつき」が観測した弓状模様のメカニズムを、宇宙航空研究開発機構(JAXA)などの研究グループが解明しました。研究結果から、地形の影響による下層大気の乱れが上層大気の弓状模様を形成することが示されました。

「あかつき」が 南北方向に10,000kmを超える巨大な弓状模様をとらえたのは、一度失敗した金星の軌道投入に成功した直後のことでした。弓状模様は、スーパーローテーションと呼ばれる強い東風に流されることなく、高度65kmでほぼ同じ場所に留まっていたのです。

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金星探査機「あかつき」が撮影した弓状模様 Image Credit : ISAS

金星の新たな謎をとく鍵は、はるか下の金星の地形にありました。金星の地形と弓状構造の位置を比較したところ、弓状模様の直下に標高5kmにも達するアフロディーテ大陸が位置していたことがわかったのです。この発見から研究グループは地形の影響を模擬し、金星大気の数値シミュレーションを行いました。その結果、山岳などの地形の影響を受けて高度10kmの下層大気が気圧変化を起こすと、上層に巨大な弓状構造が生まれることが判明しました。

山岳地帯の影響を上層大気まで伝えたのは、「大気重力波」と呼ばれる現象です。山を乗り越える際に持ち上げられた空気は、周りの空気より重いため下向きに移動します。重力により加速された空気は元の位置より下へと移動しますが、今度は浮力により上向きに力を受け上昇を始めます。この大気の振動がさらに上にある大気にも伝わり、波となって上層大気まで伝わるのです。

「大気重力波」は地球上でも発生しますが、金星で観測されたような大規模な現象は太陽系全体でも例がないと考えられています。今後より詳細なシミュレーションを行うことで、波の発生源である下層大気の気象についてより多くの知見が得られるのではないか。「あかつき」がもたらした金星の謎のさらなる解明に期待が高まっています。

国際宇宙ステーション(ISS)の根幹を支える日本の技術を使ったバッテリの取り付け、起動完了!

 「こうのとり」6号機(HTV6)によってISSに運ばれた新型バッテリー6個すべてが無事取り付けられ、2017年1月14日午前4時15分に起動したことが確認されました。このバッテリーには日本の技術により開発されたリチウムイオン電池が使用されており、今後のISSの電力の供給源を日本技術が支えていくことになります。

 「こうのとり」は、日本のISS補給機です。食料や研究用資材等、必要物資の輸送はISS参加各国が協力して行っており、日本の補給機がこの「こうのとり」です。H-ⅡBロケットによって打ち上げられ、ミッションを終えると大気圏に再突入させて燃やします。各任務で新しい機体が使用されるため、今回は6号機と名前がついていたのです。

 そして今回、日本の企業であるGSユアサ製のリチウムイオン電池を使用したバッテリーがISSへ運ばれました。

 リチウムイオン電池とは、リチウムイオンの移動により充放電を行う、小型で軽量の電池です。携帯電話やパソコンなど充放電が必要な機器に主に使用されており、他にもロケットや深海調査船、病院や工場の非常時用電力等にも使用され、用途は多岐に渡ります。近年、電気自動車への応用で高い注目を集めています。

 これまでISSで使用されてきたニッケル水素電池と比較し、非常に効率良く充放電が出来、高密度の電力の蓄電が可能です。また、度重なる充放電による消耗が少なくバッテリーの寿命が長いため、交換サイクルの長期化が期待されています。 

 なお、今後こうのとり9号機までに、ISSで使用されている48個のニッケル水素バッテリーを全て24個のリチウムイオンバッテリーに交換していく予定です。

 ISSで使用される電力のバッテリーを日本の技術が担う日が来るのは、そう遠くないでしょう。

日本独自の新型ロケットエンジン「LE-9」
運用に向けて試験中

JAXAは、新型H3ロケットの大型液体エンジンであるLE-9の燃焼試験を行っています。H3ロケットは、現在運用されているH2Aロケットの後続機として開発されており、2020年に試験機1号機の運用が予定されています。

LE-9は、H3ロケットの二段あるエンジンのうちの第一段エンジンに使用されます。
現在運用中のH2Aロケットに用いられているLE-7Aエンジンは、二段燃焼という方式を用いています。二段燃焼は、副燃焼室でタービン駆動ガスを生成し、そのガスを主燃焼室で燃焼させます。これにより高い推力が得られますが、高温高圧のガスが配管内に残るため爆発しやすく危険でした。この状況を打開するのが、JAXAが10年に渡り研究開発を行ったLE-Xというエンジンです。LE-Xには「エキスパンダブリード」という方式が採用されています。この方式では燃焼室を冷却したガスでタービンを駆動し、駆動後のガスは排気されます。これにより、高温高圧のガスが配管内に残らなくなり安全性が高まりました。また副燃焼室がないことで構造もシンプルになり、制御も容易になりました。さらに、その開発期間と開発コストはLE-7Aの半分を目指して開発されました。LE-9エンジンには、このLE-Xの開発で得られた技術が活かされています。

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日本のロケットエンジン開発の流れ(Image Credit:JAXA/文部科学省)

LE-9エンジンが低コストで高い信頼性を目指しているように、H3ロケットは従来のロケットよりも低いコストでの運用を目指して開発されています。打ち上げコストはH2Aロケットの約半分に削減する予定で、組み立て工程や射場準備期間なども半分に抑えることで受注から打ち上げまでの期間も短縮されました。これによりニーズに合わせた迅速な打ち上げが可能になります。

燃焼試験の他にも製造方法などの試験を行い、終了後H3ロケット試験機1号機に搭載されます。2020年以降、20年間に渡って毎年約6機の運用が予定されています。

宇宙の膨張は予想以上に速かった!重力レンズから考える宇宙の膨張

宇宙が膨張しているという事実が分かったのは1929年。宇宙望遠鏡の名前にもなっているアメリカの天文学者「エドウィン・ハッブル」が銀河間の距離を測定したことにより、世界で初めて明らかになりました。それから約80年、宇宙観測技術の向上によりドイツの研究グループが、宇宙の膨張の速度は予想以上に速かった、ということを明らかにしました。

この発見には宇宙レンズ(重力レンズ)という原理が関わってきます。宇宙レンズとは、天体の重力がレンズのような役割を果たし、光の進路を曲げるというものです。宇宙レンズによって曲げられた光は、まっすぐ進んで来る光よりも遅く進みます。この時の速さの差から、宇宙の膨張速度にかかわる膨張率(ハッブル定数)を確かめることができるのです。

2017年、ドイツの研究グループが、この方法で強い重力レンズ効果のある5つの天体を観測してハッブル定数を測定しました。しかしこのときの値は、従来の観測方法で得られたハッブル定数の値とは一致しませんでした。2011年、宇宙が加速膨張しているということが明らかになりましたが、今回の発見により、宇宙の膨張速度はこれまで想定されていたよりずっと速かったということが分かったのです。

では、そもそもなぜ宇宙は加速膨張しているのでしょう?その答えは、ダークエネルギーと呼ばれる謎のエネルギーにあると考えられています。

宇宙の膨張image

宇宙の誕生から現在までの宇宙の膨張

Image Credit:国立科学博物館

宇宙にはこの謎のエネルギーが充満していて、そのエネルギーの総量は一定しています。一方宇宙が膨張するにつれ、物質同士の引力は徐々に小さくなっていきます。その結果、はじめは引力の影響で減速していた膨張の速さが、あるところからダークエネルギーの影響の方が強くなり、宇宙は加速膨張に転じたと考えられています。

宇宙の膨張についてわかっていることはまだまだ一部にすぎません。今後の研究によるさらなる未知の発見が期待されます。

野良ブラックホールと銀河を飛ぶ謎の高速物質

天の川銀河には約1億から10億のブラックホールが存在するとされています。そのほとんどは互いの周りを回る星(連星)を持たないブラックホール、野良ブラックホールだと考えられています。しかしその存在が観測されたことはなく、正体は依然として多くの謎に包まれていました。そんな中、新たな研究結果が慶應義塾大学大学院理工研究学科と同理工学物理学科の研究チームにより発表されました。
 

未知の物質Bulletの発見

研究チームは爆発した星の残骸を観測していたところ、変わった動きをする超高速のガスの集まり「Bullet(弾丸)」の姿を捉えました。秒速120kmで天の川銀河と反対方向へ動くこの不気味な弾丸は、一体どのようにして生まれたのでしょうか?

導かれたブラックホールとの関係

観測を重ねた結果、Bulletの持つ莫大な質量、エネルギーなどの物理状態が明らかになりました。しかし、これらの異常な値は私たちの知っている天体では説明がつきません。そこで研究チームは、野良ブラックホールを用いたBullet誕生のシナリオを提唱しました。チームによるとBulletは、非常に小さく重い単独の野良ブラックホールと、星の爆発による衝撃波との接触によって生まれたものと考えられています。こうしてBulletの発見によって未知の天体、野良ブラックホールの存在が示されました。

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今回その存在が提唱された「野良ブラックホール」の想像図 Image Credit: 慶應義塾大学

今後へ向けて

現時点では観測されたBulletが野良ブラックホールと衝撃波のどのような接触によって生まれたのかは解明されていません。しかしこのBulletの発見は、今まで一度もその存在が確認されなかった野良ブラックホールの謎に迫る一歩となりました。その観測方法が確立される日も、そう遠くはないでしょう。

宇宙でもヤクルトで健康生活!
の実験開始

株式会社ヤクルト本社と国立研究開発法人 宇宙航空研究開発機構(JAXA)は、宇宙飛行士がプロバイオティクスを継続して摂取する実験を国際宇宙ステーション(ISS)で開始すると発表しました。プロバイオティクスとは、腸内環境を改善し、人などに有益な効果を持つ生きた微生物のことで、宇宙飛行士の健康状態の維持に役立つことが期待されています。

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乳酸菌シロタ株の継続接種実験が行われる国際宇宙ステーション(ISS)
Image Credit:JAXA

有人ミッションを成功させるためには、宇宙飛行士が心身の健康状態を維持し、パフォーマンスを最大限発揮する必要があります。
しかし、宇宙飛行士が活動する宇宙空間は、微小重力、宇宙放射線、ISSの閉鎖空間など、地球には無い厳しい環境です。そのような環境下での免疫機能低下、骨密度の低下、筋萎縮などの人体リスクが報告され、問題となっています。

これらの問題の解決に、プロバイオティクスが持つ効果が大きく貢献するのではないかと期待されています。
その一種である乳酸菌シロタ株は、腸内の善玉菌を助けて腸内環境のバランスを調整して体調を良くしたり、「ナチュラル・キラー細胞」を活性化して人の免疫機能を向上させたりする効果を持っています。この乳酸菌を宇宙食などに含ませることによって、食べるだけで宇宙飛行士の健康維持に役立つのではないかと考えられているのです。

ヤクルトとJAXAは、この乳酸菌シロタ株の効果を宇宙空間でも発揮させるための共同研究を2014年から行ってきました。地上研究や乳酸菌を宇宙空間に持っていくための開発が完了したため、今回ついにISSへ研究のステージを移すことになったのです。ISSでは、乳酸菌シロタ株の継続的な摂取実験によって、本当に宇宙空間でその効果が発揮されるのか検証されます。

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ヤクルト400(左)とそれにに含まれる乳酸菌シロタ株を宇宙用にカプセル化したもの(右)
Image Credit:ヤクルト本社(左),JAXA(右)

将来、宇宙に手軽に行ける時代になった時、人々の健康を守ってくれる大事な役割になるかもしれないプロバイオティクス。その研究の行方に注目です。

14号特集・宇宙飛行士×医学スペシャルインタビュー

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みなさん、TELSTAR14号は読んで頂けましたでしょうか?
今回は、14号の特集「宇宙飛行士✖〇〇学」の医学でご紹介した、松本大学大学院健康科学研究科の河野史倫先生にインタビューをしました。宇宙医学とはどのような分野なのでしょうか。先生に聞いてみました!

Q:河野先生は、どのような研究をされていますか?
「宇宙滞在の影響を受けにくい体質を地上でつくる」ことを目標として研究を行っています。地球の重力に逆らって姿勢を維持するために、持続的に働く筋肉を抗重力筋と呼びます。重力が非常に小さい宇宙では姿勢を維持する必要がないため、抗重力筋が使われずに弱っていってしまいます。現在の国際宇宙ステーション(ISS)では、船内で運動することで筋肉量を維持しています。しかし、2030年代に行われる有人火星探査ミッションでは探査船にトレーニング器機が搭載できるか分かりません。このような「運動が著しく制限される環境」でも宇宙飛行士の健康を維持できるようにするため、運動によって筋肉量を維持することの他にも、右図のようなマウスを使った実験により重力の影響を受けにくい体質を探っています。
また、筋肉に対する重力の役割という観点から、抗重力筋の起源を解明することも私たちの研究の目標です。

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Q:研究で目標としていることを教えてください!
自分の専門領域に狭めて言うと、抗重力筋のメカニズムの解明などがあります。しかし、もっと広く先まで自分の研究を見据えて考えると、人類の進化を知りたいという究極的な目標が思いつきます。
人類はまだまだ進化の途中だと思うんです。地球という環境に完全に適応できているなら”年をとって重力に逆らって動けない”なんておかしいはずです。だからこれからもヒトの生理機能は変わっていく可能性が高いのではないかと思っています。生物の進化において、骨格筋の発達や分布が鍵になると思うので 、骨格筋研究という立場から明らかにしたいです。ちょっと現実味に欠ける感じもするかもしれませんが、そんな漫画みたいなことに本気で挑戦できることが研究の醍醐味かなとも思います。

Q:宇宙医学研究に関わっている方の出身学部はどこが多いでしょうか?
分野の特性上当然ですが、医学部出身で医師の方がやはり多いです。しかし、私も含め医師ではない研究者もたくさんいます。体育、教育、理学部など出身学部は様々ですが、たいていは生理学や運動生理学の専門家です。私も体育学部の出身ですが、健常人である宇宙飛行士の健康維持に関する研究なので、体育やスポーツの専門家がやらねばならないことかなとも思っています。海外では専門の研究機関がありますので(NASAではAmes research center、ESAはDLR、ロシアはIBMPなど)、さらに出身分野は広いのではないでしょうか。

Q:宇宙医学研究には、どんなルートで関われますか?
これは宇宙医学研究を目指す高校生にとっては最も大事な問題ですね。宇宙医学に関わる研究室は少なく、医学部だからと言って必ずある訳でもありません。初めから特定の研究室を目指して大学を選ぶという手もありますが、大学で授業を受けて研究のことも知った状態の方が自分の興味ある分野や関わりたい仕事などがはっきり見えてくると思います。なので、大学院から宇宙医学の研究室に入るというのも有意義です。

Q:これからの宇宙医学分野はどうなっていくと思いますか?
地上での医療との結びつきがより強くなっていくと思います。これからの宇宙開発ではより長期の宇宙滞在が見込まれるため、これまではなかった予防医学の理論、船内での医療、遠隔医療などが必要とされてきます。これらが宇宙医学のためだけに発展するのは難しく、地上での意義やニーズと連動して進歩していくはずです。そういった見方からすると、地上とは気圧などが異なる上空での特有の症状を扱う航空医学やへき地医療、急病の人を助ける救急医療など様々な医療についても熟知していかなければならない分野だと思います。

Q:河野先生の将来の夢を教えてください。
自分の研究成果が宇宙で使われスタンダードになることです。それまでの過程で発見したことを権威ある科学誌に発表し、自分の専門領域を確立していくこともまた夢の一部です。

Q:学生へのメッセージをお願いいたします!
私がいつも研究を行う上で大事に思っていることは、好奇心・勇気・覚悟という3つの気持ちです。どんなものや現象にも興味を持ってじっくり観察してみること、おもしろそうなことは思い切ってやってみること、そして一度取り掛かったら諦めずに形にまとまるまでやり遂げることです。最後までやり遂げれば必ず次に何をすべきかが見えてきます。みなさんも強く興味を持ったものには勇気と覚悟を持って飛び込んで見てください。これから様々な選択を迫られることがあると思いますが、興味の沸く方へ是非進んでいってほしいと思います。


宇宙医学分野では、河野先生のように熱い情熱を持ちながら研究に取り組んでいる方々がたくさんいらっしゃいます。いろんな学部から研究に関わることができるので、興味のあるテーマなどを調べたりしてみてください!

記者:鈴木優子