過酷な月の宇宙放射線被ばく線量を縦孔利用で月表面の10%以下に

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将来の月における有人長期滞在活動の実現に向けた重要な科学的知見

2020-10-01 宇宙航空研究開発機構,量子科学技術研究開発機構,早稲田大学

国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構(JAXA)、国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構、学校法人早稲田大学の研究グループは、月面の縦孔地形*1を利用することで宇宙放射線*2による被ばく線量が月表面の10%以下となり、地上における職業被ばく*3の基準値以下にまで低減できることをシミュレーションにより明らかにしました。
宇宙は様々な放射線が混在する環境であり、国際宇宙ステーション(ISS)に滞在する宇宙飛行士は1日に0.5~1.0mSvの線量を被ばくしています。これは地上での被ばく量の100倍以上に相当します。将来的に有人活動の拠点が地球近傍のISSから月へと移るのに際して、地球磁場による放射線の低減効果がなくなることや滞在期間が長期化することで、被ばく量が大幅に増大することが懸念されます。
当研究グループでは、将来の月面有人滞在を見据え、日本の月周回衛星「かぐや」(SELENE)によって発見された縦孔地形を放射線防護空間として利用することに着目しました。火成活動*4により作られる溶岩洞*5のような地下空間へと繋がる可能性が高い縦孔は、直径・深さ共に数十メートルに及びます。溶岩洞は宇宙放射線の遮蔽に有用であることは知られていましたが、その現実的な入り口となる縦孔の放射線環境についてはこれまで十分には知られていませんでした。
本研究では最新の放射線科学研究に基づく数値シミュレーションによって月表面と縦孔内の放射線環境を調査し、それらを比較することで縦孔による放射線防護効果を評価しました。その結果、月表面では年間約420mSvと地球上に比べて200倍も過酷な環境ですが、縦孔によって被ばく量は月表面の10%以下(年間約19~24mSv縦孔底面)まで低減され、地上における職業被ばく基準値(5年間で100mSv)以下の放射線環境が得られる可能性が高いことを明らかにしました。本成果は、有人月探査や将来の恒久的な月有人滞在に向けて、新たに遮蔽材を持ち込むことなく、月に安全な放射線防護空間を確保できることを示した重要な知見です。
本成果は放射線防護に関する専門誌「Journal of Radiological Protection」オンライン版に9月22日に掲載されました。

研究開発の背景と目的

 宇宙は太陽や太陽系外から飛来する重荷電粒子*6や中性子、ガンマ線などが混在する宇宙放射線に直接さらされる放射線環境です。ISSが周回する地球低軌道では、宇宙放射線の一部は地球の持つ磁場によってある程度低減されていますが、滞在する宇宙飛行士は平均して1日に0.5~1.0mSv被ばくしています。これは地上における被ばく量の100倍以上に相当します。将来の有人宇宙活動の拠点が現在のISSから月へと拡大していくことで、地球磁場による減弱効果の消失と探査期間の長期化による被ばく量の増大が懸念されており、被ばく量を可能な限り低減する手段が模索されています。
月の縦孔は日本の月周回衛星「かぐや」(SELENE)によって2009年に発見され、月の地下空洞に開いたものと考えられています。地下空洞は溶岩洞のような火成活動により作られたと考えられ、縦孔の大きさは直径・深さ共に数十メートルに及びます。月の地下空洞は月面に絶え間なく降り注ぐ隕石の衝突や300℃近くになる温度差、致命的な被ばくから機器や人間を守ることができる可能性を秘めており、月での人類の恒久的滞在を可能にする拠点の候補地として期待されています。本研究では、縦孔とそこから続く地下空洞を放射線防護に利用することを考え、縦孔による宇宙放射線の低減効果を最新の放射線科学研究に基づいて評価しました。

研究の手法と成果

 月周回無人衛星Lunar Reconnaissance Orbiterで光学観測したデータに基づいてマリウス丘*7の縦孔(図1)を模擬し、縦孔内外における被ばく量の空間分布をモンテカルロシミュレーションによって見積もりました。

図1.今回模擬したマリウス丘の縦孔の写真 NASAの月周回無人衛星Lunar Reconnaissance Orbiterによって撮影。

図1.今回模擬したマリウス丘の縦孔の写真
NASAの月周回無人衛星Lunar Reconnaissance Orbiterによって撮影。

 その結果、縦孔外の月面領域における被ばく量は最大で1日当たり約1.14mSv(年間約420mSv)となったのに対し、縦孔中心部の被ばく量は図2のように概ね立体角*8に応じて深さと共に減少し、縦孔の底中央部では月面の10%以下となる1日当たり約0.07mSv(年間約24mSv)となりました。

図2. 縦孔中心部における年間の線量率の深さ依存性 月面で被ばく量が最大となる場合を仮定しています。 孔の底では月面の10%以下の被ばく量になることが分かります。 (©Naito et al.,2020から一部改変)

図2. 縦孔中心部における年間の線量率の深さ依存性
月面で被ばく量が最大となる場合を仮定しています。
孔の底では月面の10%以下の被ばく量になることが分かります。
(©Naito et al.,2020から一部改変)

 また、水平方向に地下空間が広がっていると仮定した場合、被ばく量の水平方向分布は図3のようになり、縦孔底面の縁(±25m)周辺では中央部よりもさらに低い年間19mSv程度であることが分かりました。

図3. 縦孔の底における年間の線量率の水平方向への依存性 孔の縁(±25m)周辺で職業被ばくの基準値以下の放射線環境が得られることが分かります。 (©Naito et al.,2020から一部改変)

図3. 縦孔の底における年間の線量率の水平方向への依存性
孔の縁(±25m)周辺で職業被ばくの基準値以下の放射線環境が得られることが分かります。
(©Naito et al.,2020から一部改変)

 これらのシミュレーション結果から、縦孔を含む周辺領域の年間の線量分布は図4のようになりました。地上における職業被ばく線量の基準値は5年間で100mSvであり、縦孔と地下空間を利用することでこの基準値を下回る放射線環境を実現できることが分かりました。

図4. 縦孔周辺領域の年間の線量分布 (©Naito et al.,2020から一部改変)

図4. 縦孔周辺領域の年間の線量分布
(©Naito et al.,2020から一部改変)

 これまでの縦孔周辺の光学観測やレーダー観測によって、縦孔から続く地下空間の大きさは最大でkmクラス、最低でも十数メートルであることが示唆されています。このことから、縦孔を利用することで職業被ばくの基準値以下の放射線環境を実現することは十分現実的であることが分かります。地下空間の大きさ次第では、地下空間内で地球上と同程度の放射線環境も十分期待できます。

今後の展開

 近年、月への有人回帰が加速しています。例えば米国では国際宇宙探査「アルテミス計画」が日本を含む国際共同計画として進められています。中国は既に月裏側への無人着陸を果たし、1年以内の月面からの試料採取を計画し、月有人活動へと歩を進めています。民間企業による独自の月探査計画の動きも活発になってきています。本研究の成果は、月の縦孔と地下空間を利用することで月面に新たに遮蔽材を持ち込むことなく安全な放射線環境を確保できることを示したもので、拡大していく月探査の中で、将来の恒久的な月有人滞在に向けてきわめて重要な知見です。

<用語解説>

*1 縦孔地形
火成活動起源と考えられる地下空間の天井が隕石衝突などの衝撃によって崩落することで形成したと考えられる地形。月面では月周回衛星「かぐや」(SELENE)の観測によって2009年に発見された。同種の地形が火星でも観測されています。

*2 宇宙放射線
宇宙空間を飛び交う放射線の総称。太陽と太陽系外の銀河から飛来する高エネルギー荷電粒子の集まりで、約87%が水素、約12%がヘリウム、残りの約1%が主に鉄までの重原子核で構成されます。

*3 職業被ばく
国際放射線防護委員会によって規定される放射線作業従事者の被ばく量の基準値。1年間で50mSvと5年間で100mSvの2つがあります。

*4 火成活動
天体の進化における熱的な活動の総称。月や火星はすでに活動を停止しており、地球は熱進化の過程にあると考えられています。火山活動などが該当します。

*5 溶岩洞
火成活動の終期における地中の溶岩の通り道が洞窟として残ったもの。地球上でも複数が見つかっており、多くが観光資源として活用されています。

*6 重荷電粒子
ヘリウム以上の原子がイオン化し、高速に加速された状態の放射線の一種。宇宙空間を飛ぶ放射線の中で太陽系外から飛んでくるものにも重粒子線が含まれ、高いエネルギーを持った鉄(原子番号26)までの重さの原子核が主成分となります。太陽系外で起きる超新星爆発などの高エネルギー天体現象によって生成・加速されていると考えられています。

*7 マリウス丘
月表側の西部に存在する丘。火成活動が活発だった海領域に存在し、月周回衛星「かぐや」(SELENE)の観測によって縦孔が発見された場所の一つ。

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