次世代宇宙服ラボ

次世代宇宙服の循環型生命維持システム：月面基地と火星探査を支える革新

宇宙探査のフロンティアが拡大する現代において、宇宙飛行士の生命と安全を支える宇宙服の進化は極めて重要です。中でも、生命維持システム（Life Support System: LSS）は、宇宙という過酷な環境で人間が活動するために不可欠な中核技術と言えます。これまでの宇宙服LSSは、短期間の船外活動（EVA）に特化し、酸素や水を消費型で補給する形式が主流でした。しかし、月面基地での長期滞在や火星有人探査といった未来のミッションでは、地球からの補給に依存しない、より自律的で持続可能なシステムが求められています。

次世代宇宙服の開発では、この課題に応えるため、資源を極限まで再生・再利用する「循環型生命維持システム（Closed Loop Life Support System: CLSS）」の研究開発が加速しています。これは、単なる技術革新に留まらず、人類が宇宙でより長く、より安全に活動するための基盤を築くものです。

宇宙飛行士の生命を支える生命維持システム（LSS）の基本

生命維持システム（LSS）は、宇宙飛行士が宇宙空間で活動する上で、酸素供給、二酸化炭素除去、温度・湿度制御、そして水管理といった生命維持に必要な機能を担います。国際宇宙ステーション（ISS）で使用されている船外活動ユニット（Extravehicular Mobility Unit: EMU）などの既存の宇宙服LSSは、酸素タンクや二酸化炭素吸収剤といった消耗品を携行し、短時間の活動を可能にしています。

しかし、月面ゲートウェイや月面基地、さらには火星への有人探査といった長期的なミッションでは、これらの消耗品を地球から輸送すること自体が大きな負担となります。輸送コストは膨大であり、また、数年単位に及ぶミッションでは、途中で補給を行うことも極めて困難です。このため、宇宙飛行士の活動を支える上で、資源の消費を最小限に抑え、持続的に再生する能力がLSSに強く求められるようになりました。

循環型生命維持システム（CLSS）の革新性

循環型生命維持システム（CLSS）は、宇宙飛行士が排出する水や二酸化炭素を回収し、飲用水や酸素へと再生することで、外部からの資源補給を大幅に削減する技術です。これにより、宇宙服はより長時間の活動を可能にし、ミッションの自律性を飛躍的に高めることができます。

CLSSの核となる主な再生技術は以下の通りです。

• 水のリサイクル: 宇宙飛行士の尿や汗、呼吸による結露水などを高効率で回収し、多段階のろ過、蒸留、触媒酸化といったプロセスを経て、再び安全な飲料水や冷却水として利用可能にします。地球上の浄水技術の最先端をいくこれらのシステムは、極限まで水の回収率を高めることを目指しています。

• 空気のリサイクル: 宇宙飛行士が排出する二酸化炭素（CO2）は、リチウム水酸化物（LiOH）などの吸収剤を用いる方法の他に、より高度な方法として、電気化学的プロセスや触媒反応を用いて回収・除去されます。そして、分離したCO2から電気分解やサバティエ反応などを通じて、酸素（O2）を生成し、呼吸用として再供給します。これにより、酸素タンクの消費を大幅に抑制できます。

• 熱制御との統合: 宇宙服内部の快適な環境を維持するためには、体熱や機器から発生する熱を効率的に処理する必要があります。CLSSでは、これらの熱を単に排出するだけでなく、再生プロセスの加熱源として活用したり、効率的な熱交換器を通じて内部環境の最適化に利用したりすることで、システム全体のエネルギー効率を高める取り組みが進められています。

これらの循環型技術は、宇宙服が「使い捨て」から「自己完結型」へと進化するための鍵を握っています。

実現に向けた技術的挑戦とブレークスルー

CLSSを宇宙服に搭載し、実用化するためには、いくつかの技術的なハードルを越える必要があります。

• 小型化と軽量化: 宇宙服のLSSは、宇宙飛行士の活動の妨げにならないよう、極限まで小型・軽量化されなければなりません。高性能な膜分離技術や、非常に小さな空間で高効率な化学反応を促す微細な触媒反応器の開発が不可欠です。これらの部品は、既存のISS向けのCLSSと比較して、はるかに高い集積度が求められます。

• 高信頼性と自律性: 地球からの支援が限定される深宇宙ミッションでは、LSSの故障は宇宙飛行士の生命を脅かす直接的なリスクとなります。そのため、CLSSは極めて高い信頼性を持ち、かつ自己診断や自動修復が可能な自律性を持つ必要があります。人工知能（AI）によるモニタリングや、複数のサブシステムが協調して動作する冗長性設計が、この課題解決に貢献するでしょう。

• エネルギー効率: 再生プロセスには電力を要するため、システム全体の低消費電力化が開発の重要な焦点です。太陽光発電や、より長期間のミッションでは小型原子力電池（RTGなど）といった多様なエネルギー源との連携も視野に入れながら、効率的な電力管理システムが求められます。

これらの挑戦を乗り越えることで、CLSSはより現実的なものとなり、深宇宙探査の可能性を大きく広げます。

月面基地・火星探査ミッションへの貢献

次世代宇宙服の循環型生命維持システムは、人類が月面や火星で長期にわたり活動するための、まさに「生命線」となります。

• 月面での長期滞在: 月面ゲートウェイや将来の月面基地における長期の船外活動では、CLSSが不可欠です。月面での滞在期間が数週間から数ヶ月に及ぶ場合、限られた資源を効率的に再生・再利用する能力が、活動の持続性を決定します。将来的には、月面の氷から水を採取し、それを電気分解して酸素を生成する「現地資源利用（In-Situ Resource Utilization: ISRU）」技術と組み合わせることで、宇宙服のCLSSはさらなる自律性を獲得し、持続可能な月面活動を支えるでしょう。

• 火星有人探査: 片道数ヶ月、総期間数年にも及ぶ火星ミッションでは、地球からの補給は現実的ではありません。火星表面での探査活動において、宇宙服のCLSSは、水や酸素の現地生産技術と連携しながら、宇宙飛行士が安全かつ長期間にわたって活動するための基盤を提供します。これにより、火星表面での探査範囲と時間の両方が大幅に拡大され、より多くの科学的発見に繋がる可能性が高まります。

• 安全性と柔軟性の向上: CLSSの導入は、宇宙飛行士が補給の心配を減らし、より複雑で長時間の作業に集中できる環境をもたらします。システムに高い冗長性や自己修復機能が組み込まれていれば、万が一の故障時にも安全な対処が可能となり、ミッションの柔軟性と安全性が飛躍的に向上します。

まとめ：未来の宇宙生活を支える循環型LSS

次世代宇宙服に搭載される循環型生命維持システムは、単なる技術的な進歩に留まるものではありません。それは、人類が地球の引力圏を越え、月、火星、そしてその先の深宇宙へとフロンティアを拡大するための、最も重要な基盤の一つとなります。限られた資源を最大限に活用し、自律的に生命を維持できる宇宙服は、持続可能な宇宙探査と、将来的な地球外居住の実現に向けた、次なる大きな一歩となるでしょう。この革新的な技術の進化が、人類の宇宙への夢を現実のものとすることに期待が寄せられています。