科学者らが宇宙放射線から宇宙飛行士を守るハイドロゲルを3Dプリント

はじめに: 宇宙環境では、宇宙飛行士は宇宙放射線の大きな脅威に直面します。1 日の放射線量は、地球上の人間が 1 年間に浴びる放射線量とほぼ同等です。科学者たちは、放射線のリスクについてはまだ多くの不確実性があるため、特に将来の火星探査について懸念を表明している。
2025年2月25日、アンタークティックベアは、この課題に対処するために、欧州宇宙機関（ESA）がより軽量で効果的な放射線防護材料を研究していることを知りました。その中で、ベルギーのゲント大学の研究チームは、3Dプリント技術を使ってハイドロゲルの「防護シールド」を作るという革新的な解決策を提案した。この素材は放射線を効果的に吸収できるだけでなく、水分を蓄えることもできるため、宇宙飛行士にとって二重の防護壁となる。
△宇宙リスク：放射線。画像提供：ESA。
なぜ水？
水は宇宙放射線との戦いにおいて意外なヒーローのように思えるかもしれないが、この仕事に最適な自然素材の一つである。水は密度が高く、水素原子で満たされています。研究者によれば、これらの水素原子は高エネルギー粒子と相互作用してその速度を落とし、その有害な影響を軽減するのに非常に優れているという。基本的に、水は放射線スポンジのような働きをし、宇宙飛行士に害を及ぼす危険なエネルギーを吸収します。
しかし、水を放射線遮蔽物として使用するのは、大きなタンクを持ち運ぶほど簡単ではありません。実際、水は液体の状態では自由に流れるため、宇宙服や宇宙船に水を入れようとすると、容器が大きすぎて移動が困難になる可能性があります。さらに、容器に穴が開いたときに水が完全に拡散しなかったり、漏れたりすると、問題になります。 1オンスでも無駄にせず、漏れが宇宙服や宇宙船の重要なシステムに大惨事をもたらす可能性がある環境では、研究者たちはこの障害を回避する別の方法を考え出さなければなりませんでした。
この技術の画期的な点は、高吸水性ポリマー（SAP）が水を吸収してゲル状の物質に膨張することで形成されるハイドロゲルです。 SAP は、おむつやコンタクトレンズなどの一般的な製品に使用されており、大量の液体を漏れることなく吸収して保持することができます。
ピーター・デュブリュエル教授率いるゲント大学の高分子化学・生体材料グループの研究者たちは、この技術を宇宙に持ち込みたいと考えている。 3D プリント技術の助けを借りて、これらのハイドロゲルを放射線防護に必要なほぼあらゆる形状に成形することができます。宇宙服に取り付けるパッチでも、宇宙船の壁を並べるパネルでも、3D プリントによりカスタム形状が可能になります。
「このプロジェクトの素晴らしい点は、よく知られた技術を採用している点です」と、研究者の一人であるポスドク研究員のレニー・ヴァン・ダーレ氏は説明する。「ハイドロゲルは私たちが日常的に使用する多くのものに使用されており、私たちの研究グループは医療分野での応用、つまり損傷した組織や臓器を修復するための柔らかい移植可能な材料としてハイドロゲルを使用するという分野で豊富な経験を持っています。」

ハイドロゲルの大きな利点の 1 つは、水が自由に流れるのではなく、所定の位置に保持されることです。水は材料構造内に閉じ込められ、均一に分散されるため、継続的な放射線防護が実現します。ハイドロゲルパッチに穴が開いても、すぐに水が漏れることはありません。この内蔵の安全機能により、宇宙飛行士はより多くの時間を使って対応し、問題を解決できるようになります。
ESAの材料・環境・汚染管理部門の材料・プロセスエンジニアであるマルゴザタ・ホリンスカ氏は次のように付け加えた。「ハイドロゲルから水を回収する方法が最適化されれば、この材料は宇宙船の放射線シールドや貯水池として、無人ミッションにも使用できるだろう。」
これは、ハイドロゲルが宇宙飛行士を放射線から保護し、長期ミッションにとって非常に貴重な水を貯蔵するという、2つの役割を同時に果たせることを意味します。
ゲント大学の博士研究員であるマノン・ミンサート氏は、別の利点を指摘する。「私たちが使用する超吸収性ポリマーは、さまざまな技術を使用して加工できます。これはポリマーでは珍しく、有利な特性です。私たちが選択した方法は 3D プリントで、これによりほぼあらゆる形状のハイドロゲルを作成できます。」
将来の宇宙ミッションに向けて<br /> 火星やそれ以降の人類の探査ミッションが進むにつれて、軽量で効果的な放射線遮蔽の必要性がますます高まっています。 NASA、ESA、その他の宇宙機関は、放射線防護と重量制限のバランスを取らなければなりません。なぜなら、遮蔽物が重くなると、打ち上げコストと燃料の使用量が増えるからです。アルミニウムやポリエチレンなどの従来の素材は、ある程度の保護を提供しますが、かなりの重量を追加します。
何年もの間、エンジニアたちは、宇宙船を過重にすることなく宇宙飛行士と装備を安全に保つために、先進的なポリマー、多層シールド、さらには月や火星の現地の材料など、より軽量な代替品を使用することの利点を研究してきました。一方、ハイドロゲルは、3D プリントを使用してさまざまな形状やサイズに作ることができる軽量の代替品を提供します。
デュブリュエル氏は、彼らのミッションの目標を次のように要約しています。「私たちは、軽量の放射線防護材料を常に探しています。私たちの発見キャンペーンでは、ハイドロゲルが宇宙環境での使用に安全であることを実証することに成功しました。このフォローアッププロジェクトでは、さまざまな技術を適用して材料を 3D 構造に成形し、製造プロセスを拡大して産業化に近づけようとしています。」
△宇宙放射線。画像提供：ESA。
ハイドロゲルは最終的には宇宙での強力な味方となる可能性がある。水はすでに原子炉や病院での放射線遮蔽に使用されています。ここでの革新は、水を貯蔵する方法にあります。水を3Dプリントして固体構造にすることで、科学者は宇宙での貯蔵や漏洩に悩まされることなく、水の遮蔽能力を活用することができます。
今後の道のりは依然として困難です<br /> 研究室から実用化までの道のりは決して容易ではありません。放射線防護用の 3D プリントハイドロゲルの初期テストは有望ですが、まだやるべきことは残っています。研究者たちは、ハイドロゲルから水を回収する方法の改善、大規模生産のための3Dプリントプロセスの改善、そしてさまざまな宇宙条件下での材料のテストを行わなければならない。
ゲント大学のチームは研究室でハイドロゲル印刷の実験を積極的に行っており、この研究が理論を超えて現実世界の開発に進んでいることを確認しています。現在、研究チームはハイドロゲルを使用してスペースシャトルや月にいる宇宙飛行士の画像を印刷していますが、彼らの目標はもっと大きいものです。彼らは、宇宙飛行士の服、宇宙船、火星の宇宙居住区で使用できるハイドロゲルシールドを成形するために 3D プリント技術を使用しています。このアプローチにより、シールドは柔軟かつ適応性が高くなり、3D プリントがこれらのハイドロゲルを宇宙で役立つものにするための鍵となることが示唆されます。
△3Dプリントされたハイドロゲルのスペースシャトルと月面の宇宙飛行士。画像提供：ESA/Johan Dubruel。
この研究はゲント大学のより大規模なプロジェクトの一部であり、同大学では科学者らが2006年以来、医療用ポリマーの研究に取り組んでいる。ヘルスケア分野でのハイドロゲルの使用経験は、宇宙用の放射線シールドの開発に役立っています。
ESA は、協力と研究への積極的な資金提供を通じてこの取り組みを支援しています。ゲント大学の研究者たちは、3Dプリントされたハイドロゲルの助けを借りて、より安全な宇宙旅行への道を切り開き、避けられない宇宙放射線から水を守ることができる将来のミッションへの明確な道筋を示しています。

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