国際宇宙ステーション（ISS）は、宇宙における有人宇宙基地として最長の運用期間を誇り、今年で15周年を迎えました。ISSは地球を周回する間、実質的に自由落下状態にあり、地球の重力に逆らって宇宙科学研究を行う理想的なプラットフォームとなっています。
ISSにおける科学研究は、微生物学、宇宙科学、基礎物理学、人類生物学、天文学、気象学、地球観測など、実に多岐にわたる分野を網羅しており、まさに学際的です。さて、ここで注目すべき成果をいくつか見てみましょう。
人体の脆弱性
フランク・デ・ウィネ宇宙飛行士は、床に繋がれたバンジーコードを使ってISSのトレッドミルでジョギングしている。NASA
将来、地球をはるかに超えて宇宙へ旅立つことを考えているなら、長期宇宙飛行中の宇宙環境が人体に与える影響は大きな関心事です。例えば、火星への有人宇宙飛行は1年かかる可能性があり、帰路にも同じくらいの時間がかかります。
国際宇宙ステーションにおける微小重力研究により、そのようなミッションでは人体の骨量と筋肉量が相当に減少することが実証されている。
抵抗運動器具を使用する緩和技術により、骨と筋肉の損失を大幅に軽減できることが示されています。
適切な栄養と薬物使用に関する他の研究と組み合わせることで、これらの調査は、世界中の何百万人もの人々を悩ませている骨粗しょう症の治療の改善につながる可能性があります。
惑星間汚染
多くの宇宙機関の長期的な目標は、人類を火星に送ることです。赤い惑星である火星は、過去あるいは現在における地球外生命が存在する可能性のある、最もアクセスしやすい場所の一つであるため、特に注目されています。したがって、地球の生物によって火星を不用意に汚染しないことが不可欠です。
同様に、サンプルリターンミッション中に火星の生命体で地球を逆汚染しないように注意する必要があります。
枯草菌などの特定の耐性細菌胞子は、ISSで宇宙にさらされながらも太陽の紫外線から保護され、高い生存率を示しました。宇宙の真空と極端な温度だけでは、それらを死滅させるには不十分でした。
これらの驚くべき微生物は、もし宇宙船によって偶然に火星に運ばれたとしても、惑星間宇宙飛行を生き延び、薄い土の層の下で生息できる可能性があります。この発見は大きな意味を持ちます。微生物、あるいはそのDNAが、たとえ自然な手段であっても、惑星間宇宙飛行を生き延びることができるとすれば、地球上の生命がもともと火星、あるいは他の場所から来た可能性が残されることになります。
医療用結晶の成長
効果的な医薬品の開発における重要な課題の一つは、人体におけるタンパク質分子の形状を理解することです。タンパク質はDNA複製や消化など、幅広い生物学的機能を担っており、タンパク質結晶構造解析はタンパク質の構造を理解するための不可欠なツールです。
地球上の流体内の結晶の成長は、重力による対流と、流体容器の底にある密度の高い粒子の沈殿によってある程度抑制されます。
微小重力環境では、地球上よりもはるかに大きなサイズの結晶を成長させることができるため、微細構造の分析が容易になります。ISSで成長したタンパク質結晶は、筋ジストロフィーや癌などの疾患に対する新薬開発に利用されています。
宇宙線と暗黒物質
宇宙には、宇宙線と呼ばれる高エネルギー荷電粒子が絶えず降り注いでいます。宇宙線は地球の大気圏に衝突すると崩壊し、地上で観測可能な二次粒子のシャワーを発生させます。宇宙線の一部は、超新星爆発などの爆発現象、あるいはより身近なところでは太陽フレアから放出されることもあります。しかし、多くの場合、その発生源は不明です。
これらの謎めいた粒子をより深く理解するためには、大気圏に到達する前に捕捉する必要があります。ISSには、これまで宇宙に打ち上げられた中で最も感度の高い粒子検出器であるアルファ磁気スペクトロメータ（AMS）が搭載されています。この装置は宇宙線を収集し、そのエネルギーと進入方向を測定します。
2013年の初期の結果では、宇宙線電子とその反物質である陽電子は、特定の場所からではなく、宇宙のあらゆる方向から放射されていることが示されました。
宇宙の質量エネルギーの約4分の1は、宇宙線の発生源となる可能性のある、組成不明の物質である暗黒物質で構成されていると考えられています。暗黒物質の存在は、天の川銀河（および他の銀河）を取り囲む物質のハローを想定する理論であり、AMS（高エネルギー質量分析計）で検出される宇宙線の電子と陽電子が等方性であり、宇宙のあらゆる方向から到来していることからも裏付けられています。
この天体はこれまで直接検出されたことがなく、その本質は現代天体物理学における最大の未解決問題の一つです。
効率的な燃焼
軌道上の宇宙ステーションで意図的に火を起こすというのは、一見、良い考えとは思えません。しかし、微小重力下における炎の物理現象は非常に興味深いものであることが分かりました。「火炎消火研究施設」は、当然ながら綿密に設計された施設で、微小重力下で球状化する燃料の微小液滴に点火します。
地球上で炎がおなじみの形状をとるのは、重力による対流によって空気の上昇気流が生じ、燃焼する燃料とガスの混合物が上方に引き寄せられるためです。微小重力下では上昇気流がないため、炎は燃焼源の周囲に拡散した球状になります。
さらに、炎の黄色い色は、微細な煤粒子の白熱によって生じます。煤は燃料の不完全燃焼によって発生し、汚染物質となります。
微小重力下では、燃料の燃焼がより完全になり、より効率的になります。地球上では黄色に見えるろうそくの炎は、微小重力下では実際には青色に燃え、煙の発生もはるかに少なくなります。
こうした研究により、環境や人体に悪影響を及ぼす煤の生成プロセスや、燃焼機関における燃料液滴が燃焼中に液体から気体へと変化する過程を研究することが可能になります。これは将来、地球上の燃焼機関のより効率的な設計につながるかもしれません。®
この記事はThe Conversationに掲載されたものです。元の記事はこちらでご覧いただけます。
