深宇宙探査用の宇宙船開発につながる重要な科学的知見
2021-09-08 量子科学技術研究開発機構
発表のポイント
- 将来の深宇宙有人探査で懸念される長期間にわたり宇宙空間を移動する際の宇宙放射線1)による被ばく線量を低減する新たな宇宙船素材として炭素繊維強化プラスチック等の複合材料2)が効果的
- 単位面積あたりの質量を同じにした試験材料を用いて宇宙放射線を模擬した粒子線照射実験と数値シミュレーションを行った結果、人に対する影響が大きい重粒子線に対する遮へい3)効果は、宇宙船構造材料に用いられるアルミニウムに比べて、複合材料の方が30～60%高いことを確認
- アルミニウムと単位面積当たりの質量が同じになるよう、補給船「こうのとり」4)の構造体を複合材料に置き換えた場合、アルミニウムに比べて遮へい効果は2割程度向上し、宇宙空間での被ばく線量を5割程度低減することが可能
国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構（理事長 平野俊夫、以下「量研」）量子生命・医学部門放射線医学研究所計測・線量評価部の内藤 雅之研究員、小平 聡グループリーダーらは、三菱重工業株式会社防衛・宇宙セグメント宇宙事業部と共同し、従来の宇宙船の構造材料であるアルミニウムよりも軽い、炭素繊維強化プラスチック等の複合材料はアルミニウムよりも宇宙放射線に対する遮へい効果が30～60%高いことを明らかにしました。さらに宇宙船の構造体をアルミニウムから複合材料に単位面積当たりの質量が同じになるように置き換えた場合、遮へい効果が2割程度向上すると推計されます。これにより宇宙空間での被ばく線量を5割程度低減することが可能になります。複合材料を用いた遮へいは重粒子線の被ばく線量率を効果的に低減させるので、人体に及ぼす有害な影響のリスクをより低減することにつながります。
宇宙は地上に比べて100倍以上も放射線量の高い環境であり、国際宇宙ステーション(ISS)では半年で100 mSv程度、有人探査が計画されている月面では年間で420 mSv程度被ばくすると試算されています。また、米国の火星探査機マーズサイエンスラボラトリーによる地球から火星までの宇宙空間航行中の放射線量の観測結果によると、火星への往復だけで被ばく線量は660 mSvに達すると報告されています。
将来的に有人活動の拠点が地球近傍のISSから月や火星などの深宇宙へと移ると、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、被ばく線量が大幅に増大することが懸念されます。共同研究グループでは、将来の深宇宙5)有人探査に向けて、被ばく線量をできる限り低減することが重要と考え、機械的強度や加工性には優れるが、宇宙放射線を遮へいする効果が低いアルミニウムに代わる新しい宇宙船素材の探索を進めてきました。
近年、自動車や航空機に多く採用されている炭素繊維強化プラスチック等の複合材料は、機械的強度に優れるとともに金属材料に比べて軽量であることが利点とされています。複合材料は、それを構成する元素の平均質量が比較的小さいため、宇宙放射線、すなわち高速で飛ぶ荷電粒子線6)の減速効果を高めるとともに、人に対する影響が大きい重い荷電粒子を壊して影響の小さな軽い荷電粒子へと変換させやすいほか、二次的に発生する放射線量を低く抑えられると考えられます。
そこで、幾つかの種類の複合材料に対する宇宙放射線の遮へい性能を検証しました。実験による評価では、量研が所有する重粒子線がん治療装置HIMACを用いて宇宙放射線を模擬した粒子線を試験材料に照射して遮へい効果を測定しました。また、数値シミュレーションを用いて宇宙空間で起こると想定される粒子線と試験材料との相互作用を計算した結果は、実験での結果を再現しており、人に対する影響が大きい重粒子線に対する遮へい効果は、アルミニウムに比べて複合材料では30～60%高いことを確認しました。
さらに、従来アルミニウムで作られている補給船「こうのとり」の構造体を、アルミニウムと単位面積当たりの質量が同じになる複合材料に置き換えると、遮へい効果はアルミニウムに比べて2割程度高くなると推計されました。この場合、宇宙空間での被ばく線量を5割程度低減することが可能になります。また、厚さを変えずに置き換えた場合は、アルミニウムの場合と同等の遮へい効果を得ながら、総重量を4割程度削減できると考えられます。
深宇宙有人探査を見据えた宇宙放射線の遮へい機能を有する宇宙船の開発につながる重要な知見である本成果は、宇宙ライフサイエンスの専門誌「Life Sciences in Space Research」オンライン版に8月30日に掲載されました。
研究開発の背景と目的
宇宙空間では太陽や太陽系外から飛来する高エネルギーの陽子線や重粒子線が混在する宇宙放射線が飛び交っています。国際宇宙ステーション（ISS）が周回する地球低軌道では地球の持つ磁場によって荷電粒子である宇宙放射線は部分的に遮られますが、地球上（年間約2.1 mSv日本平均）に比べると、被ばく線量は半年で100 mSv程度になります。
今後、有人宇宙活動の拠点が月や火星等の深宇宙へと拡大していくと、地球磁場による減弱効果が小さくなるため、宇宙放射線に直接さらされることになり、地上と比べて100倍以上も被ばく線量が高い環境となります。有人探査が計画されている月面では、年間で420 mSv程度被ばくすると試算されています。また、米国の火星探査機マーズサイエンスラボラトリーによる地球から火星までの宇宙空間航行中の放射線量の観測結果によると、火星への往復だけで被ばく線量は660 mSvに達すると報告されています。
探査場所が遠くなるほど移動にかかる時間が長くなり、その場での滞在も含めると、宇宙空間で過ごす期間は年単位で長期化することになります。これらのことから、地球近傍のISSに比べて深宇宙探査では、被ばく線量が増大することが懸念されます。従って、深宇宙探査時の被ばく線量をできる限り低減できる遮へい材料の研究が重要になります。
遮へい材料は被ばく線量を減らす防護手法として地上において最もよく用いられており、例えばガンマ線は鉛のような質量の大きい元素で遮へいすると効果的であることが知られています。一方、宇宙放射線は高エネルギーの荷電粒子であるため、従来の宇宙船やISSの構造材料であるアルミニウムや金属材料では遮へい効果はあまり期待することができません。荷電粒子を止めやすい物質かどうかは、物質を構成する元素の電荷と質量数の比で決まります。
単位密度当たりの阻止能7）を考えると、水素や水素を多く含む材料が荷電粒子を止めやすい遮へい材と言えます。また、宇宙放射線に含まれる重い荷電粒子は人に対する影響が大きいのですが、物質中の原子核と衝突することによって、人に対する影響の度合いが小さい比較的軽い荷電粒子へと破砕します。破砕が起こる確率は物質の平均質量数が小さいほど高くなります。さらに、宇宙放射線が宇宙船の壁や人体などに衝突して二次的に中性子やガンマ線が発生しますが、二次放射線の生成量についても平均質量数の小さい物質の方が小さくなります。
これらのことから、平均質量数が小さく水素を含む物質（例えばポリエチレンや水）が、宇宙放射線の遮へいに適していると考えられます。しかし、現実的な宇宙空間での遮へいという視点では、ロケットによる打ち上げ可能な重量や体積には厳しい制約が課せられるのに加えて、宇宙放射線の遮へいのみを目的とした物資の輸送はコスト的に難しいと言わざるを得ません。また、水はもとよりポリエチレンは変形しやすく強度的にも弱い材料であるため宇宙船素材として活用することは難しいと考えられます。そこで、従来のアルミニウムに取って代わる構造体となり、かつ宇宙放射線の遮へい効果が高い宇宙船素材を探索しました。
研究の手法と成果
近年、自動車や航空機に多く採用されている炭素繊維強化プラスチック等の複合材料は、機械的強度に優れるとともに金属材料に比べて軽量であることが利点とされています。このような複合材料は構成される元素の平均質量数が比較的小さいため、宇宙放射線の遮へいに効果的であると予想されます。そこで、表に示すような8種類の複合材料と比較用にアルミニウム（Al）とポリエチレン（PE）に対する宇宙放射線の遮へい性能を検証しました。
表. 照射試験に使用した材料の一覧
aAl, アルミニウム；PE, ポリエチレン; PI, ポリイミド; CF, カーボンファイバー; PEEK, ポリエーテルエーテルケトン; PP, ポリプロピレン.bSiC20 and SiC40, 各数値は複合材料中のSiCの体積含有率.
実験による評価では、試験材料を2つの受動型線量計8)を交互に挟み込んだ照射体に、量研が所有する重粒子線がん治療装置HIMACを用いて宇宙放射線を模擬した粒子線（陽子、ヘリウム、酸素、シリコン、鉄）を照射しました。図1は粒子線照射実験結果の一例です。(a)では試験材料の厚さ（g/cm2）9)に対する陽子線（宇宙放射線の中で最も存在量が多く最も軽い粒子）の相対線量の変化で、材料中での陽子線の止まりやすさをあらわしています。図中に見えるピークの位置が左に来るほどその材料の減速効果が高いことになり、アルミニウムが最も止まりにくく、ポリエチレンが最も止まりやすく、複合材料は概ねその中間程度であることが分かります。(b)では鉄イオン（宇宙放射線の主成分中で最も重い粒子で、人体に与える粒子当たりの影響が最も大きい）の材料中での壊れやすさをあらわしています。試験材料の厚さに従って鉄イオンの数が減少していますが、その傾きが急なほど鉄イオンが他の軽い粒子に最も壊れやすいことを示します。この結果から、アルミニウムで最も壊れにくく、ポリエチレンで最も壊れやすく、複合材料はポリエチレンに近い壊れやすさであることが分かります。
このような実験値は、宇宙空間で想定されうる宇宙放射線と試験材料との相互作用をシミュレーションするうえで基準となります。
図1. (a): 陽子線照射による試験材料厚さ（g/cm2）に対する相対線量の変化
(b): 鉄イオン照射による試験材料厚さに対する鉄イオン数の変化
図1. (a): 陽子線照射による試験材料厚さ（g/cm2）に対する相対線量の変化
(b): 鉄イオン照射による試験材料厚さに対する鉄イオン数の変化
先ほどの実験値を基準に、照射試験と同じ体系をコンピューター上に再現してモンテカルロシミュレーション10)を用いて、宇宙空間で起こると想定される粒子線と試験材料との相互作用を計算しました。その結果、実験で示された複合材料の遮へい効果がシミュレーションでも再現され、複合材料はアルミニウムよりも30～60%程度優れた遮へい効果があることが分かりました（図2）。遮へい効果はポリエチレンの方が高いのですが、変形しやすく強度が弱いため、構造材料には適していません。複合材料は構造材料として活用できるので、従来のアルミニウムに取って代わる構造体となりかつ宇宙放射線の遮へい効果が高い物質であると言えます。
図2. 鉄の粒子線を厚さ5 g/cm2の材料試料で遮へいしたときの実効線量当量の低減割合をアルミニウムの場合とで比較した相対遮へい効果
図3. 補給機「こうのとり」のモデル図
「こうのとり」はISSへの補給物資の輸送に用いられる国産モジュールです。本研究では「こうのとり」の補給キャリア与圧部分の構造材料をアルミニウムから複合材料（CF/PEEK）に置き換えて、内部の放射線環境をシミュレーションしました。図中のx, y方向が図4の軸方向に対応します。
複合材料を宇宙船に適用した場合の宇宙放射線の遮へい効果を、補給機「こうのとり」（図3）の構造材料を複合材料（機械的強度に優れるCF/PEEK）に置き換えて評価しました。設計図上の実際の厚さは変えずに置き換えた場合では、複合材料はアルミニウムに比べて密度が小さいため、図4(a、b)のように遮へい厚さ（g/cm2）でみると、アルミニウムの方がCF/PEEKよりも厚いことがわかります。このとき、宇宙放射線を全方向から入射させて宇宙船内部での実効線量当量率を計算すると、遮へい厚さはCF/PEEKの方が薄い（つまり質量に換算すると4割程度軽い）にもかかわらず、アルミニウムと同程度の遮へい率であることが分かります（図4(c、d)）。単位面積当たりの質量が同じになるようにアルミニウムから複合材料に置き換えた場合（図4(a、b )で同じ遮へい厚さになる場合）の実効線量当量率の減衰率の比較を行うと、CF/PEEKの遮へい効果はアルミニウムよりも2割程度高くなると推計されました。この場合、宇宙空間での被ばく線量を5割程度低減することが可能になります。
これらのことから、複合材料を宇宙船の構造材料として用いることによって、放射線防護を目的とした遮へい材を追加で積載することなく、被ばく線量の低減が可能になると考えられます。
図4. 補給船「こうのとり」中心部の遮蔽厚さ（a, b）と宇宙放射線による被ばく線量の空間分布のシミュレーション結果（c, d）（(a,c): -50
（a, b）: 「こうのとり」内部の遮へい厚さの比較です。アルミニウムと複合材料ではそれぞれの密度分だけ遮へい厚さに差があることが分かります。
（c, d）: 遮へい材料がないときの被ばく線量との比較です。アルミニウムと複合材料では厚さが同じ場合、同程度の遮へい効果であることが分かります。
今後の展開
宇宙での有人活動は、地球から遠く離れた月や火星等の深宇宙に進みつつあると共に、民間企業による宇宙旅行も実現するなど、ますます身近なものになっています。国際共同計画として月周回の有人活動拠点ゲートウェイの建造や月着陸探査を目指すアルテミス計画が日本を含む各国によって進められています。
本研究により、複合材料を宇宙船に用いることによって、積載重量や体積に厳しい制約のある中でも、宇宙放射線による被ばく線量を低減できる可能性が示されました。量研は本研究で得られた知見を更に発展させるべく、さらに効果的な遮へい材料の検討や、宇宙放射線によるエラーに対して安全性の高い電子デバイスの開発に役立つ技術など、深宇宙有人探査を見据えて、宇宙放射線防護に係る研究開発を推進していきます。
用語解説
1）宇宙放射線
陽子やヘリウム、さらにそれよりも重い原子がイオン化し、高速に加速された状態の放射線の一種で、宇宙空間を飛ぶ天然の放射線です。太陽系外から飛んでくるものに重粒子線が含まれ、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。
2）複合材料
炭素繊維強化プラスチックなどが良く知られており自動車や航空機の部品として利用されています。プラスチックは軽量ですが機械的強度が弱いという欠点があります。プラスチックに炭素繊維などを織り込むことによって、金属材料と同程度の機械的強度に改良した新材料です。
3）遮へい
被ばくを低減するため、放射線源とヒトとの間に鉛や水などの物質を置いて、物質中で放射線のエネルギーを吸収させること。
4）補給船「こうのとり 」
ISSへの補給物資の輸送に用いられている国産の宇宙船。最大補給能力は約６トンと世界最大級で、現在までにISSへの補給を９回行いました。
5）深宇宙
宇宙空間において地球からの距離が非常に遠いところで、宇宙放射線の影響を考えた場合は、地球磁場の影響を受けないくらい遠い場所（おおむね20万km以上）になります。
6）荷電粒子線
水素やヘリウムよりも重い原子がイオン化し、高速に加速された状態の放射線の一種。地上では加速器と呼ばれる装置で人工的にイオンを加速することによって作り出されます。放射線治療や材料加工等に活用されています。荷電粒子線の人に対する影響は、粒子の電荷が大きくなる（重くなる）ほど大きくなることが知られています。
7）阻止能
物質中での荷電粒子の止まりやすさを示す物理量。物質の電荷の大きさと単位体積当たりの原子数に比例して大きくなります。従って、単位密度あたりの阻止能は電荷と質量の比に依存します。ほとんどの元素で電荷・質量比は約1/2となる一方で水素は電荷と質量が等しいため、水素に富む物質ほど効率良く荷電粒子を停止することができます。
8）受動型線量計
宇宙放射線は様々な放射線が混在しているため、単一の放射線検出器では計測しきれませ
ん。この線量計は、比較的軽い粒子成分を計測する光刺激ルミネッセンス線量計と重い粒子成分を計測するCR-39プラスチック飛跡検出器から構成されます（図5）。それぞれの計測結果を組み合わせることにより、全被ばく線量を評価します。この線量計自体は小型・軽量で、取扱いやすいという特徴を持っています。
図5.受動型線量計を構成する光刺激ルミネッセンス線量計とプラスチック固体飛跡検出器
光刺激ルミネッセンス線量計は照射された放射線のエネルギーを蓄積し、照射後に特定の波長の光で励起することによって、蓄積された放射線量に対応した蛍光を観測します。プラスチック固体飛跡検出器は、重粒子線の通過に伴って分子結合が切断され、化学エッチング処理を経て、エッチピットと呼ばれる顕微鏡で観察可能な大きさの穴が生成します。この穴の大きさと数を計測すると被ばく線量を求めることができます。
9）厚さの単位（g/cm2）
放射線量は遮へいする物質の密度にも依存して減衰していきます。物質の厚さ(cm)にその物質の密度（g/cm3）をかけることで得られる単位面積当たりの質量（g/cm2）は、どの物質にも共通の単位となり、放射線が通過する遮へい材の実際の厚さを表現するのに使われます。
10）モンテカルロシミュレーション
放射線が物質中で引き起こすさまざまな反応はある確率で起こります。現在知り得る反応の種類とその確率に基づき、発生させた乱数にしたがって放射線が物質中でどのような過程をたどるかを追跡します。このシミュレーションの結果は実験結果と整合することが大切です。実験結果を再現できる信頼性が高いシミュレーションを用いれば、複雑で大変な実験を実際に行わなくても、ある程度結果を予測することに役立ちます。
論文について
Applicability of composite materials for space radiation shielding of spacecraft, Life Sciences in Space Research
Masayuki Naitoa, Hisashi Kitamuraa, Masamune Koikea, Hiroki Kusanoa, Tamon Kusumotoa, Yukio Uchihoria, Toshiaki Endob, Yusuke Hagiwarab, Naoki Kiyonob, Hiroaki Kodamab, Shinobu Matsuob, Ryo Mikoshibab, Yasuhiro Takamib, Masahiro Yamanakab, Hiromichi Akiyamac, Wataru Nishimurac, Satoshi Kodairaa
a Radiation Measurement Research Group, National Institute of Radiological Sciences, National Institutes for Quantum and Radiological Science and Technology, Chiba 263-8555, Japan
b Space Systems Division, Integrated Defense & Space Systems, Mitsubishi Heavy Industries, Ltd., Aichi 455-8515, Japan
c Manufacturing Technology Research Department, Research & Innovation Center, Mitsubishi Heavy Industries, Ltd., Aichi 455-8515, Japan
