放射線遮蔽ベストを月まで往復飛行させ、効果を確認した

アポロ16号とアポロ17号ミッションの間の1972年8月に発生したような太陽嵐は、宇宙飛行士のがんリスクを高めたり、放射線障害を引き起こしたりするほどの強力な陽子を放出します。地球の大気と磁場はこの放射線を吸収しますが、月や火星へ向かう宇宙飛行士にはその保護がありません。これまで作られた宇宙船も、それを阻止するのに十分な遮蔽を備えていません。 イスラエル系アメリカのスタートアップで放射線に対する個人用保護具を開発しているStemRadのJordan Houri氏とOren Milstein氏が率いるチームは、宇宙船を遮蔽するのではなく、宇宙飛行士自身を遮蔽することでこの問題を解決できると提案しました。このアイデアをテストするため、StemRadのチームは、AstroRadと呼ばれる着用可能な放射線遮蔽ベストを、NASAの無人アルテミスIミッションで月まで往復させ、その飛行データを実際の太陽嵐での性能を計算するために使用しました。その結果、このベストは、宇宙飛行士が嵐をやり過ごすために隠れるべきオリオン宇宙船の重厚に遮蔽された船内シェルターとほぼ同等の性能を発揮することがわかりました。 ターゲットを絞った遮蔽 宇宙船設計者は、アルミニウム製の船体から水で満たされた壁、乗組員に到達する前に荷電粒子を偏向させる超伝導磁石まで、何十年にもわたって遮蔽オプションを検討してきました。それらのすべてが同じ課題に直面しています。「問題は、質量を非常に効率的にどのように使用するかということでした」とMilstein氏は言います。「質量こそがボトルネックであり、1グラムでも重要です」。 宇宙飛行士が着用できる保護服は、合理的であると同時にばかげてもいました。ばかげている部分は、長らく、意味のある保護を提供するには、保護服がフルプレートアーマーのように見える必要があると考えられていたことです。おそらく、質量を増やし、移動をほぼ不可能にする鉛やその他の高密度材料で作られる必要があったでしょう。しかし、StemRadのエンジニアは、中世の騎士のように着飾っても、それほど多くの保護は得られないことに気づきました。 Milstein氏の説明によると、人間の体は放射線に対して均一に脆弱ではありません。「骨髄のような組織は、脳と比較して放射線に対してはるかに敏感です」。このアイデアに続いて、StemRadは核対応の初動対応者向けに腰に着用するベルトを開発しました。このベルトは、血液細胞を作る組織である骨髄の約半分を保持します。骨髄の一部だけでも保護することで、人はそれを再生させ、高線量の被曝から生き残ることができます。そのため、StemRadはLockheed Martinと協力して、このアイデアを女性用ベストに拡張しました。このベストは、腰だけでなく、乳房、腹部、結腸、生殖器もカバーしていました。これらは、被曝した場合、即時の生命の危険は少ないものの、長期的ながんリスクを伴います。「それでも人々は驚きます」とMilstein氏は言います。「誰もが頭部はどうなるのかと尋ねますが、頭部、腕、さらには脚を保護しなくても、実効線量を60パーセント削減することができました」。 しかし、どこに遮蔽材を配置するかを選択することは、問題の一部にすぎませんでした。材料を選択し、宇宙飛行士の動きを妨げないデザインにすることも別の課題でした。 分割の問題 「遮蔽材料の効果を決定する主な要因は、その原子番号を原子質量で割った値です」とHouri氏は言います。中性子を持たない水素は、他のどの元素よりも約2倍の比率を持っているため、水が宇宙放射線の良い遮蔽材としてよく引用される理由です。高密度ポリエチレン（HDPE）という一般的なプラスチックは、質量あたりの水素含有量が水よりもさらに多く、水とは異なり固体であるため、漏洩の心配がありません。HDPEのような固体で比較的硬い材料の問題は、十分な厚さにして良好な放射線保護を提供しようとすると、快適性を損なう可能性があることです。これを回避するために、StemRadのチームはそれを様々な長さと断面の六角形のロッドに分割しました。「私たちは、遮蔽パネルを数千本の六角形のテッセレーションされたHDPEロッドに分割しました」とHouri氏は述べています。これらのロッドは、2層の弾性ファブリックの間に挟まれ、ベストを非常に柔軟で流動的なものにしました。「水のように振る舞いますが、固体であるという点は変わりません」とHouri氏は主張します。ロッドの長さは9ミリメートルから60ミリメートルです。エンジニアは、荷電粒子が物質中を移動する際にエネルギーを失う様子を記述するBethe-Blochの公式を使用して、その長さを計算しました。これにより、チームは特定のエネルギーを持つ粒子が停止する前に、その遮蔽材をどれだけ移動するかを予測できました。 もちろん、計算、たとえ非常に正確なものであっても、十分ではありません。確実なデータを取得するために、StemRadはAstroRadベストを月周回旅行に送りました。 HelgaとZohar アルテミスIミッションは乗組員なしで飛行したため、ベストには着用者の代役が必要でした。ミッションには、がん治療計画ですでに使用されている放射線療法線量測定ファントムを改良した、HelgaとZoharというニックネームの2つの同一の胴体が搭載されていました。どちらも組織等価材料で作られていました。「それらは、人間組織と放射線が相互作用するのとほぼ同じ方法で相互作用するように設計されていました」とHouri氏は説明します。Zoharがベストを着用した幸運な方でした。Helgaには個人的な保護はありませんでした。 両方のファントムには数千個の線量計が詰め込まれており、累積合計だけでなく、飛行の特定の段階での放射線量を追跡していました。しかし、これらの検出器が記録した放射線のほとんどは、ミッションが地球の内バンアレン帯、高エネルギー陽子の領域を通過した際に発生したものでした。アルテミスIミッションの飛行中、太陽嵐は発生しませんでした。「もし（太陽粒子イベント）が発生していれば、分析は終了していたでしょう。そのデータを使用できたでしょう」とHouri氏は述べています。代わりに、チームは、その陽子エネルギーが典型的な嵐の際に存在するエネルギーとほぼ重複するため、帯の通過を代理として使用しました。彼らは宇宙船、ファントム、ベストのモンテカルロシミュレーションを構築し、線量計と比較してチェックしました。モデルの出力は、各線量計について、実際の測定データから5パーセント以内でした。 その信頼性が確立された後、彼らは帯の放射線スペクトルを1972年8月と1989年10月の2つの歴史的な太陽嵐のスペクトルに置き換え、実際の宇宙飛行士はイベント全体で座ったままにならないため、シミュレートされたファントムを固定して前方を向かせるのではなく自由に回転させました。ベストは、1972年スタイルのイベントでは実効放射線量を約60パーセント削減しましたが、1989年のような嵐では約40パーセントしか削減しませんでした。 嵐の間のギャップ 「1989年の嵐ははるかに高エネルギーでした。スペクトルはよりハードで、高エネルギーにシフトしていました。それはより最悪のシナリオでした。1972年の嵐はより典型的な大規模イベントでした」とHouri氏は説明します。太陽嵐の粒子フラックスは通常、低エネルギー陽子によって支配されており、高エネルギー陽子は指数関数的にまれであるため、ベストはそのように機能しました。「その放射線の大部分は低エネルギー範囲にあり、合理的な量の材料で遮蔽できます」とHouri氏は付け加えています。 ミッション計画に換算すると、単一の主要な嵐の間にベストを着用することで、宇宙飛行士のキャリアをNASAの生涯線量制限である600ミリシーベルトに対して、約40日から193日間延長できる可能性があります。これは、オリオン宇宙船の専用嵐シェルター、宇宙飛行士が避難できる重厚に遮蔽されたキャビンエリアに匹敵しますが、重要な違いがあります。シェルターは制限的です。シェルターに隠れた宇宙飛行士は、移動したりミッション操作を実行したりすることはできません。「ベストを使用すれば、キャビン内を移動しながら、同じ量の保護を楽しむことができます。私たちはそれを嵐シェルターを補完する保護と考えています」とHouri氏は述べています。 しかし、このベストは、宇宙飛行士が直面するもう一つの主要な放射線源である銀河宇宙線（GCR）に対しては、ほとんど効果がありません。太陽嵐の放射線とは異なり、GCRははるかに高いエネルギーで連続的に到達するため、遮蔽がより困難になります。「これらの線に対してベストを使用すると