宇宙旅行はあなたを殺し、醜くしようとしている

2020年4月26日午前7時

ああ、また、それはあなたを盲目にし、愚かにもします。

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宇宙空間は最も有害な物質です。空気がなく、高エネルギー光子や高エネルギー原子核の破片といった致命的な粒子のスープで満たされています。無重力状態は私たちの存在のあらゆる要素に影響を及ぼし、体内のタンパク質でさえ上が何なのか分からなくなってしまいます。

宇宙旅行に関する書籍や雑誌の記事では、その冒険を危険な海を越えて新天地へと旅立つことに例えることがよくあります。私たちの祖先は、原始的な道具を使って手作りした木製のアウトリガーカヌーで南太平洋を横断しました。彼らは決して戻ってくるつもりもなく出発しました。彼らは外洋で何日も、何週間も、何ヶ月も過ごし、風雨にさらされ、貴重な食料と水はほとんどありませんでした。途中で亡くなった人も多くいましたが、目的地にたどり着き、新しい生活を始めた人も少数いました。数万年前の初期の移住が危険であったことは間違いありませんが、一滴の水がDNAに穴を開けるわけではありません。海霧が脳細胞を破壊するわけではありません。荒波が目に液体をため込み、網膜に永久的な損傷を与えるわけではありません。ようやく陸にたどり着けば、歩くことができます。足が弱って体を支えることができないからといって、医師や技術者のチームにボートから運び出す必要はありません。そして、目的地に到着すると、食べ物や水が見つかる可能性が高いでしょう。

つまり、水中で生きられる生物もいれば、水中で生きられない生物が流木に乗って水を渡れる生物もいるということです。しかし、宇宙は不毛であり、同時に不毛な場所でもあります。過去数世紀、数千年にわたって地球上で行われたあらゆる旅は、どれほど困難なものであっても、月を越えて宇宙を旅することに比べれば取るに足らない困難を伴います。そうでないと主張することは、第一世代の宇宙飛行士が払うであろう犠牲を軽視することになります。誤解のないよう明確に述べれば、宇宙旅行は今日、工学的観点から技術的に実現可能です。何しろ、人類は50年前に月に着陸しました。太陽系をはるかに超える探査機を送り出し、金星、火星、土星の衛星タイタン、チュリュモフ・ゲラシメンコ彗星（67P）、そしていくつかの小惑星の表面に探査機を軟着陸させてきました。しかし、月を越えて人類を送ることは、多くの医師によって自殺行為に等しいほど危険であると考えられています。

悪いというのはどの程度悪いのか？

宇宙飛行士（連邦政府職員）が火星探査で受けると予想される放射線被曝量は、米国労働安全衛生局（OSHA）が地上の職場活動に許可する基準をはるかに上回っています。火星探査を検討するだけでも、NASAはALARA（合理的に達成可能な範囲で可能な限り低く抑える）という原則に基づき、OSHAから特別な免除を受ける必要があります。NASAが取得しているこの免除は、打ち上げ前に宇宙飛行士の健康リスクを慎重に評価することを義務付けています。

しかし、放射線被曝は危険の一つに過ぎません。NASAの人間研究ロードマップは、34の既知の健康リスクと、リスクに関する知識の「ギャップ」を233箇所特定しています。例えば、放射線に関連する既知の健康リスクは4つあります。太陽フレアによる放射線中毒、脳損傷、心血管障害、そして一般的な癌です。しかし、ギャップの中には、宇宙放射線による遺伝、生殖能力、不妊への影響に関する疑問も含まれています。つまり、私たちが認識しているよりも多くの健康リスクが存在する可能性が高いのです。ここでは、宇宙旅行の既知のリスク34点をご紹介します。ロケットの爆発といった基本的な機械的な危険を超えたリスクです。

臨床的に関連する予測できない薬の影響に関する懸念
重力に再さらされた直後の椎間板損傷の懸念
放射線被曝による急性（飛行中）および遅発性中枢神経系障害のリスク
太陽粒子事象による急性放射線症候群のリスク
認知機能や行動に悪影響を与えるリスクや精神疾患のリスク
天体塵への曝露による健康およびパフォーマンスへの悪影響のリスク
宿主と微生物の相互作用による健康への悪影響のリスク
免疫反応の変化による健康被害のリスク
飛行中の健康状態による健康状態の悪化やパフォーマンスの低下のリスク
互換性のない車両/居住空間設計のリスク
宇宙飛行による骨の変化による骨折のリスク
心臓リズムの問題のリスク
放射線被曝および二次的な宇宙飛行ストレスによる心血管疾患およびその他の組織変性リスク
減圧症のリスク
宇宙飛行による早期骨粗鬆症のリスク
宇宙飛行に伴う前庭機能や感覚運動機能の変化により、宇宙船や関連システムの制御障害や運動機能低下のリスクがある
筋肉量、筋力、持久力の低下によるパフォーマンス低下のリスク
人間と自動化/ロボットの統合に関する不適切な設計のリスク
人間とコンピュータの不適切な相互作用のリスク
不適切なミッション、プロセス、タスク設計のリスク
栄養不足のリスク
長期保管による薬剤の効果がなくなる、または毒性が増すリスク
船外活動（EVA）による怪我やパフォーマンス低下のリスク
動的荷重による怪我の危険性
重力への再曝露時の起立性不耐性のリスク
チーム内の協力、調整、コミュニケーション、心理社会的適応が不十分なためにパフォーマンスと行動の健康が低下するリスク
不十分な食料システムによるパフォーマンスの低下や乗組員の病気のリスク
睡眠不足、概日リズムの非同期化、仕事の過負荷によるパフォーマンスの低下や健康状態の悪化のリスク
トレーニング不足によるパフォーマンスエラーのリスク
放射線発がんリスク
低圧性低酸素症による乗組員の健康とパフォーマンスの低下のリスク
有酸素能力の低下による身体能力の低下のリスク
腎結石形成のリスク
宇宙飛行関連神経眼症候群のリスク

これら 34 のリスクのうち、放射線、重力 (またはその欠如)、手術や複雑な医療処置の必要性という 3 つは、潜在的な致命傷となる可能性があります。

事態の重大さ

重力の問題を調べてみましょう。

20世紀半ば、一部のSF作家は無重力状態は生命を育むと推測した。血液がよりスムーズに流れ、関節炎は過去のものとなり、腰痛は完全に治り、老化自体が遅くなると。だから、おばあちゃんも一緒に旅に出よう。しかし、宇宙計画の初期の頃から、そのようなバラ色のシナリオは真実ではないというヒントはあった。宇宙飛行士は、数日間の無重力状態から衰弱した状態で帰還した。しかし彼らは回復し、多くの人が、まあ、それほど悪くはないかもしれないと思った。その後、私たちは宇宙でより多くの時間を過ごしました。ミール宇宙ステーションに数ヶ月滞在したロシア人は、帰還後に深刻で長期的な健康問題を抱えているようだった。しかし、ロシア人は宇宙飛行士の健康状態について口を閉ざしていたため、私たちは確かなことを知る由もなかった。英雄として称賛されたこれらの宇宙飛行士の多くは、帰還後に公の場に姿を現すことはほとんどなかった。 ISSミッションは、無重力状態への長期曝露が様々なレベルで人体の健康に有害であるというメッセージを強く印象づけました。NASAの功績は称賛に値します。

話を続ける前に、まずいくつかの用語を定義しておきたいと思います。無重力は、視覚的には分かりやすいかもしれませんが、地球近傍活動の文脈では誤った表現となる可能性があります。国際宇宙ステーション（ISS）の宇宙飛行士は、無重力状態で生活しているわけではありません。むしろ、彼らは自由落下状態にあり、永遠に地平線を越えて地球を通り過ぎていきます。ISSやその他の衛星が宇宙に浮かんでいるのは、地球の重力の引力から逃れたからではありません。ISSがそこに留まっているのは、驚異的な水平速度を持っているからです。ISSは時速17,500マイル（約27,000キロメートル）で移動しています。もし何らかの理由でISSが完全に停止すれば、地球にまっすぐ落下し、宇宙飛行士も揺りかごごと落ちてしまいます。実際、地球の重力は、打ち上げ時に設定された横方向の運動に対して、完全にバランスの取れた反力として、移動中の衛星を軌道上に保っています。地球の重力がなければ（もし地球が突然、魔法のように消えてしまったら）、衛星は一直線に打ち上げられてしまうでしょう。したがって、ISSでの重力の無感覚を表現するより正確な言葉は、微小重力と無重力です。しかし、これらの言葉は完璧でも同義でもありません。ISSの宇宙飛行士の体重は、地球上での約90%ですが、地球は彼らの足元からわずか320キロメートル下にあります。実際、月面では体重の約16%と、はるかに軽くなります。重力は2つの物体の間に働く引力であるため、絶対的な無重力は達成できません。しかし、月、惑星、恒星の重力から遠く離れた深宇宙では、重力はほぼゼロにまで弱まります。私は宇宙旅行の文脈では、無重力、微小重力、無重力という用語を同じ意味で使用しています。

重力が身体に与える影響についての私たちの理解は、1と0という2つのデータポイントしかありません。地球では、私たちは1Gの重力下で生活しています。国際宇宙ステーションでは、宇宙飛行士は0Gで生活しています。その中間の重力については、私たちはまったく知りません。空軍のパイロットはジェット機を急加速させたため、5G以上の力を経験し、意識を失うことがあります。これは、脳から血液が噴き出すほどの地球の通常の重力の5倍です。しかし、このような力は通常、数秒しか続きません。パイロットは超重力環境に住んでいないからです。それに、私たちが行きたい太陽系のL2軌道、月、火星など、すべての場所で重力は1G未満なので、1Gを超える力についてはあまり気にしません。

1Gの何がそんなに特別なのでしょうか？それは、私たちが進化の過程で受けてきた力だからです。私たちの骨がこれほど厚いのは、まさにこの重力レベルのおかげです。周囲を遍在する重力が細胞に絶え間なく信号を送っていないと、骨は脱灰し、弱くなります。筋肉も、収縮する際に一定の抵抗を覚悟しなければなりません。重力の支配がなければ、筋肉は萎縮し、緊張を失います。宇宙でも運動は可能です。国際宇宙ステーション（ISS）の宇宙飛行士は、骨密度の減少と筋肉量の減少を最小限に抑えるために、毎日2時間の運動が義務付けられています。これはある程度効果があります。しかし、それでも無重力状態では、骨密度は平均して月に1～2%の割合で低下します。これは、地球上の高齢者が1年に1%低下する割合と比較すると、かなり低い数値です。この骨密度低下がどれほど深刻なものか想像してみてください。ISSで尿を飲料水に完全にリサイクルする上での最大の障害が、フィルターがカルシウムの沈着物で定期的に詰まってしまうことだったという事実を考えてみてください。カルシウムは骨から尿中に溶け出しますが、この溶け出しによって宇宙飛行士は短期的には腎臓結石のリスク、長期的には腎臓病のリスクにさらされます。

特別なトレッドミルであれだけ筋肉を鍛えたにもかかわらず、宇宙飛行士は数ヶ月の宇宙滞在から帰還した後、歩くことはおろかコップを持つことさえ難しい。筋肉にとってさらに悪いのは、ほとんどの筋肉を鍛えることができないという事実だ。トレーニングは手足や胴体を動かす主要な骨格筋に重点が置かれている。しかし、心筋、不随意筋、平滑筋、その他の骨格筋など、鍛えることのできない筋肉が何百もある。地球上では重力がトレーニングの場であるが、ISSではそれが得られない。顔や指の細かい筋肉がすべて弱くなる。腱や靭帯も無重力状態では機能しなくなる。宇宙では背骨が長くなり、宇宙飛行士の身長は1～5cm高くなるため、腰痛の原因となる。欧州宇宙機関（ESA）が運営する欧州宇宙飛行士センターの宇宙医学オフィスは、宇宙での背中の問題を宇宙飛行士が克服できるよう、ハイテクで非常にぴったりとした「スキンスーツ」を設計している。服装は、とても、ヨーロッパ風だとだけ言っておきましょう。

体内では、1G に依存する細胞レベルでさらに多くのことが起きています。通常、血液は重力のために足に溜まります。私たちの循環器系は、かなり重要な臓器である脳に血液を押し上げるように進化しました。重力がなければ、循環器系は制御不能な間欠泉のように血液を押し上げ、頭に激しい痛みを残します。心臓は体の下部に血液を送り出すために速く鼓動し始めます。体は体液が余っていると考え始め、「この血液はどこから来ているのだろう？」と自問します。そこで腎臓は過剰な水分があると判断し、尿として余分な水分を排出しようとします。しかし、これで脱水状態になり、血液が濃くなり始めます。これが今度は体の赤血球の生成を停止させるきっかけとなり、徐々に貧血、倦怠感、息切れ、感染症にかかりやすくなります。その他諸々です。これはホリスティック医学の悪夢です。

目は、こうした不自然な体液の波立ちに対して特に脆弱です。宇宙飛行士の3分の2以上が、軌道上で数か月を過ごした後、視力が低下したと報告しています。体液の圧力により眼球の裏側が平らになり、視神経に炎症を起こし、脆弱な血管が損傷します。NASAの宇宙飛行士ジョン・フィリップスは、この問題を最初に報告した人の1人でした。窓の外を眺めていると、彼は地球が月を追うごとにどんどんぼやけて見えると感じていました。NASAが帰還後に視力を検査したところ、軌道上で6か月過ごした後、視力が20/20から20/100に低下していたことがわかりました。これは、火星に向かう乗組員は、徐々に進行する避けられない恒久的な視力喪失の各段階に対応できるように、さまざまな度数の眼鏡を持参する必要があることを意味します。NASAは、視力の問題を宇宙飛行士の最大の当面の健康リスクと見なしています。

目と同様に、脳全体は液体の中に浮かんでいます。34人の宇宙飛行士を対象に、ミッション前後に脳のMRI画像を撮影した研究では、微小重力によって引き起こされる可能性のある永続的な変化が発見されました。具体的には、脳が上方に移動することによる圧迫と、脳の中心溝（脳の上部付近にある皮質の溝で、頭頂葉と前頭葉を隔てています）の狭小化です。中心溝は、微細運動と高次実行機能を制御する脳の部位であり、ISS滞在期間が長いほど、これらの脳の変化は悪化しました。

宇宙放射線

地球上および国際宇宙ステーション（ISS）では、銀河宇宙線または高質量高電荷（HZE）粒子とも呼ばれる宇宙放射線の大部分から保護されています。しかし、時折、少量の宇宙放射線が侵入し、上層大気に衝突して二次粒子および三次粒子の連鎖反応を引き起こします。通常、宇宙線は大気中に最も多く存在する2つの原子である窒素と酸素に衝突してそれらを分解し、中性子、電子、そしてミューオン、パイ中間子、アルファ粒子、さらにはX線といったよりエキゾチックな物質を放出します。しかし、除去すべき大気圏が広いため、放射線は地表に到達する前に崩壊するか吸収される傾向があります。実際、宇宙線が決定的に検出されたのは、1912年にオーストリアの物理学者ヴィクトール・フランツ・ヘスが電位計を高高度気球飛行に持ち込んだ時でした。ジェット機のパイロット、ひいては客室乗務員は、一般の人々と比較して放射線被曝量が多いのです。そのほとんどは宇宙放射線です。

アポロ宇宙飛行士たちは、文字通り宇宙放射線の影響を目撃した。しばしば宇宙粒子が眼窩を通り抜け、閃光を発生させた。これは以来、宇宙線視覚現象と名付けられている。生物学的なレベルで何が起こっているのかは明らかではない。宇宙線が視神経に衝突するか、あるいはゼリー状の硝子体を通過して、大気中と同じように亜原子粒子のカスケードを作り出しているのかもしれない。月に向かう途中で磁気圏を越えたアポロ宇宙飛行士たちは、およそ3分から7分に1回の割合で閃光を感知した。宇宙飛行士たちは閃光をさまざまな方法で表現しており、それは異なる物理的相互作用を示しているのかもしれない。報告された閃光の形状は、共通するものから順に、点、星、縞、すじ、彗星、しみ、雲であった。目を閉じても何も変わらない。宇宙飛行士たちは、眠ろうとしているときにも閃光が起こったと報告した。

もちろん、目は体のほんの一部に過ぎません。宇宙線視覚現象の存在は、体全体が24時間体制で宇宙放射線に晒されていることを意味します。毎秒数千本の放射線が体を通過していることになります。シカゴ大学の物理学者ユージン・パーカーは、惑星間空間で過ごす年間で、DNAの3分の1が宇宙線によって切断されると述べています。これは、体自身のDNA修復機構では制御できないほど大きなダメージです。また、宇宙空間では私たちが孤独ではないことも忘れてはなりません。私たちは、健康維持に重要な役割を果たしているマイクロバイオームという形で、数十億もの細菌、ウイルス、真菌を宿しています。例えば、腸内細菌叢は食物の消化を助けます。宇宙放射線は、微生物の乗客を殺したり、突然変異を引き起こしたりする可能性があり、未知の危険をもたらします。宇宙空間でこれらの宇宙線が体を通過するのを防ぐことができるのは、宇宙船や基地の周囲に非常に厚い遮蔽物や何らかのミニ磁気圏（後述）を設置することだけです。これは宇宙飛行だけでなく、宇宙生活にも大きな影響を及ぼします。月や火星、そして地球の磁気圏外に拠点を置くほぼすべての場所は、太陽からの距離に関わらず、適切な遮蔽がなければ宇宙線に晒されます。屋外では、目に閃光を浴びながら生活せざるを得なくなり、計り知れないダメージを受けるだけでなく、この放射線被曝によるその他の悪影響も計り知れません。SFの常套句に反して、宇宙線は超人的な力を生み出すわけではありません。

げっ歯類と宇宙放射線の実験から得られた研究結果は曖昧だ。カリフォルニア大学アーバイン校医学部の放射線腫瘍学教授チャールズ・リモリ氏は、NASAが資金提供した研究を主導し、実験用マウスを火星への片道6か月旅行で予想されるレベルと同程度の放射線に曝露した。同氏のチームは、放射線が脳の炎症とげっ歯類のニューロンへの損傷の結果として、認知障害や認知症など、長期にわたる重大な脳障害を引き起こしたことを発見した。マウスの脳細胞は、樹状突起と棘と呼ばれる特徴が、木が葉や枝を落とすのと同じように急激に減少し、ニューロン間の信号伝達が阻害された。放射線はまた、通常は以前の不快でストレスの多い連想を抑制する脳の部分、つまり恐怖消去と呼ばれるプロセスにも影響を与え、これが機能しなくなると不安を引き起こす可能性がある。「これは、2年から3年かけて火星への往復旅行に派遣される宇宙飛行士にとって良いニュースではない」とリモリ氏は2016年の研究発表時に筆者に語った。

しかし、動物実験でよくあるように、この実験での線量率（0.05～0.25 Gy/分）は、6か月のミッションで推定される総線量が時間の経過とともに均等に分散して1 Gy（100 rad）とされる火星有人ミッションで予想される線量よりもはるかに高かった。科学者たちは、マウスを6か月間継続的に宇宙放射線にさらされる居住環境に置くことができなかった。その代わり、マウスはブルックヘブン国立研究所のNASA宇宙放射線研究所の粒子加速器から大量の放射線を浴びせられ、その後6か月間*観察*された。しかし、線量率は重要だ。1時間にビールを6本飲めば酔うかもしれないが、6時間でビールを6本飲んでも酔わないかもしれない。同じ被曝量でも、線量率は異なる。宇宙飛行士が火星に到着したときに正気を保つのか、それとも「放射線でパンチドランカー」になるのかを本当にテストするには、より適切に設計された研究が必要になるだろう。

他の研究者たちは、陽子線が宇宙環境を模擬したネズミの注意欠陥や作業遂行能力の低下を引き起こし、HZE粒子がアルツハイマー病と関連するアミロイドβプラークの増殖を増加させることを発見した。臨床研究から、脳腫瘍に対して特定の種類の放射線治療を受けた人は治癒できるものの、認知機能が著しく低下することがわかっている。これを放射線誘発性認知機能低下という。頭蓋放射線治療を受け、がんを少なくとも6か月間生存する患者の半数以上には、特に処理速度（素早い思考）と記憶の領域で進行性の認知障害が残る。しかし、これもまた、宇宙にそのまま当てはまるとは限らない。患者は数ヶ月にわたって強力な放射線を浴びるが、宇宙では火星旅行中の放射線被曝はほぼ3年にわたって分散される。

もし力場が存在したら

リスクを軽減するにはどうすればいいでしょうか？遮蔽、それも徹底的に。宇宙線は太陽放射線よりもエネルギーが高い。基本的に、宇宙線は太陽放射線よりも速く移動しており、鉄の原子核などの原子核は、太陽風中の陽子や電子よりもはるかに重い。鉄の原子核は、陽子である水素の原子核の数百倍のエネルギーを持つ。薄い遮蔽は、破片のような二次粒子の連鎖反応を引き起こすため、何もしないより悪い。宇宙船の薄い金属層は、宇宙線の衝撃を散乱させ、1発の高速弾をわずかに遅い数十発の弾丸に変えるだけだ。宇宙船には厚い遮蔽が必要であり、その厚さは単純に物理学と経済性の問題だ。

数センチの鉛で十分でしょう。しかし、それではミッションの重量が数百トンも増え、数十億ドルもの費用がかかります。水は効果的なシールドとして機能します。それに、いずれにせよ水は持ち込む必要があります。そこでエンジニアたちは、宇宙船全体を水で満たした船体というアイデアを検討しています。しかし、火星にクルーを運ぶほどの大きさの宇宙船を守るには、大量の水が必要になります。つまり、飲料水よりもはるかに多くの水が必要です。ゴミを追加の保護として使うこともできます。それでも材料は十分ではありませんが、役に立ちます。質量が小さく、非常に効果的なシールドの1つは水素ガスですが、それを保持するには加圧されたチャンバーが必要になり、方程式に過剰な質量が戻ってしまいます。

遮蔽問題の解決策は、材料に二重の役割を果たすアイデアの組み合わせにあるかもしれません。この点において、水素化窒化ホウ素ナノチューブ（BNNT）は大きな可能性を秘めています。これらのチューブは炭素、ホウ素、窒素から作られています。非常に軽量で、熱と圧力に耐え、宇宙船全体の荷重を支える主要構造物として十分な強度を備えています。チューブ内には、主要な放射線遮蔽材として水素ガスまたは水を充填することができます。ホウ素は二次中性子の優れた吸収体であり、放射線カスケード効果を最小限に抑えます。カーボンナノチューブと同様に、BNNTも現時点では非常に高価ですが、近い将来、価格が下がる可能性があります。宇宙船全体にこのような遮蔽材を設置することができない場合は、寝室だけに設置できるかもしれません。そうすれば、乗組員が1日8時間睡眠または休息をとる場合、放射線被曝量を実質的に3分の1に削減できます。地球のような完全な防護は実現不可能かもしれませんが、部分的な防護であれば、健康リスクを軽減し、皆の不安を和らげることができるかもしれません。

スイスの欧州原子核研究機構（CERN）の研究者たちは、宇宙線を自然に偏向させるミニ磁気圏として機能する磁力場の開発に取り組んでいる。2014年、CERNは、20メートルの二ホウ化マグネシウム（MgB2）超伝導体ケーブル2本で構成する送電線で、温度24ケルビン（約-249℃）で2万アンペアの電流を発生させるという記録を樹立した。これは地球上での電力伝送をより安価で信頼性の高いものにする前兆となるが、CERNは、この技術を宇宙船や宇宙居住施設に適用するため、欧州宇宙放射線超伝導シールド・プロジェクトにも参加した。目標は、地球の磁場の3,000倍の強さで、直径10メートルの磁場を作り出し、宇宙船内外の宇宙飛行士を保護することだ。CERNは、MgB2超伝導テープを使って宇宙用の電気コイルを再構成する方法にも取り組んでいる。これらすべて――魔法の物質と力場――が実用化されるには何年もかかる。宇宙放射線問題に対する近い将来の解決策は、実験室で予測されているほど深刻ではないという希望以外にはない。

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