Micro-g環境
用語micro-g環境 （ μg 、しばしば用語microgravityとも呼ばれます）は、多かれ少なかれ、用語weightlessnessおよびzero-gと同義ですが、g-forceは決してゼロではないことを示します（ISSでは非常に小さい）たとえば、小さなg力は潮effects効果、地球以外の物体（宇宙飛行士、宇宙船、太陽など）からの重力、および場合によっては空気抵抗から発生します。微小重力のシンボルμgは 、スペースシャトルのフライトSTS-87およびSTS-107の記章で使用されていました。これらのフライトは低地球軌道での微小重力研究に専念したためです。
重力の欠如
「静止」マイクロg環境では、減衰によって重力の影響をほぼゼロに減らすために、深宇宙に十分遠くまで移動する必要があります。これは最も単純な概念ですが、非常に長い距離を移動する必要があり、非常に実用的ではありません。たとえば、地球の重力を100万分の1に減らすには、地球から600万キロメートル離れた場所にいる必要がありますが、太陽の重力をこの量に減らすには、 37億キロメートルの距離。 （地球上では、天の川の残りの部分に起因する重力はすでに100万倍以上に減衰されているため、その中心から離れる必要はありません）。したがって、不可能ではありませんが、これまでのところ4つの星間プローブ（VoyagerプログラムのVoyager 1および2、およびPioneerプログラムのPioneer 10および11）によってのみ達成されており、地球に戻りませんでした。宇宙船が光速で移動できる場合、この微小重力環境（重力による加速度が地球の100万分の1である宇宙の領域）に到達するのに約3時間半かかります表面）。重力を地球の表面の1000分の1に減らすには、200,000 kmの距離にいる必要があります。
| ロケーション | 重力による | 合計 | ||
|---|---|---|---|---|
| 地球 | 太陽 | 天の川の残り | ||
| 地球の表面 | 9.81 m / s2 | 6 mm / s2 | 200 pm / s2 = 6 mm / s / yr | 9.81 m / s2 |
| 低地球軌道 | 9 m / s2 | 6 mm / s2 | 200 pm / s2 | 9 m / s2 |
| 地球から200,000 km | 10 mm / s2 | 6 mm / s2 | 200 pm / s2 | 最大12 mm / s2 |
| 地球から6×106 km | 10μm/ s2 | 6 mm / s2 | 200 pm / s2 | 6 mm / s2 |
| 地球から3.7×109 km | 29 pm / s2 | 10μm/ s2 | 200 pm / s2 | 10μm/ s2 |
| ボイジャー1（地球から17×109 km） | 1 pm / s2 | 500 nm / s2 | 200 pm / s2 | 500 nm / s2 |
| 地球から0.1光年 | 400 am / s2 | 200 pm / s2 | 200 pm / s2 | 最大400 pm / s2 |
地球に比較的近い距離（3000 km未満）では、重力はわずかに減少します。物体が地球などの物体を周回するとき、重力は物体を地球に引き付け続け、物体はほぼ1gで下向きに加速されます。オブジェクトは通常、このような非常な速度で表面に対して横方向に移動しているため、地球の曲率によってオブジェクトが高度を失うことはありません。周回する観測者から見た場合、宇宙にある他の近くの物体は浮いているように見えます。これは、すべてが同じ速度で地球に向かって引っ張られているためです。これらのオブジェクトはすべて、無重力状態ではなく、自由落下状態にあります。
これらの場所のいくつかで重力の可能性を比較してください。
自由落下
残っているのは、自由落下で動くmicro-g環境です。つまり、この環境の人や物体に働く重力以外の力はありません。空気抵抗により自由落下が不完全になるのを防ぐために、オブジェクトと人々はカプセル内で自由落下できます。カプセル自体は、自由落下ではありませんが、自由落下のように加速されます。これは、空気抵抗を補正する力を加えることで実行できます。また、自由落下は、空間内、または真空タワーまたはシャフト内で実行できます。
次の2つのケースを区別できます。一時的なマイクロg（しばらくすると地球の表面に到達するか到達する）と、不定のマイクロg。
一時的なマイクロg環境は、ドロップチューブ（タワーまたはシャフト内）、サブロケットの宇宙飛行、たとえばロケットの発射、およびNASAの低重力研究プログラム（別名Vomit Comet）で使用されるような飛行機に存在します。ゼログラビティコーポレーション。一時的なマイクロg環境は、宇宙飛行士の訓練、いくつかの実験、映画の撮影、およびレクリエーションの目的に適用されます。
無期限のマイクロg環境は、放物線または双曲線軌道で無限遠に向かう宇宙船でも可能ですが、地球軌道では最も実用的です。これは、国際宇宙ステーションやスペースシャトルなどで一般的に経験される環境です。このシナリオは科学実験や商業利用に最も適していますが、主に打ち上げコストのために運用するにはかなり高価です。
潮accelerationおよび慣性加速度
軌道上のオブジェクトは、いくつかの影響により完全に無重力ではありません。
- 宇宙船内の相対位置に応じた効果：
- 重力は距離とともに減少するため、サイズがゼロ以外のオブジェクトは、地球に最も近いオブジェクトと最も遠いオブジェクトの端の間で潮力または差引きを受けます。 （この効果の極端なバージョンはスパゲティ化です。）低地球軌道（LEO）の宇宙船では、遠心力は地球から最も遠い宇宙船の側でも大きくなります。 400キロLEOの高度で、g力の全体的な差は、約0.384μG / mです。
- 宇宙船とその中の物体との間の重力により、物体はより大きな部分に向かってゆっくりと「落下」する場合があります。加速度は、距離1 mで1000 kgの場合 0.007μgです。
- 均一な効果（補正可能）：
- 非常に薄いですが、185〜1,000 kmの軌道高度にいくらかの空気があります。この雰囲気は、摩擦による微小な減速を引き起こします。これは小さな連続推力で補正できますが、実際には減速は時々補正されるだけなので、この効果の小さな重力は除去されません。
- 太陽風と放射圧の影響は似ていますが、太陽から遠ざかっています。大気の影響とは異なり、高度によって低下することはありません。
商用アプリケーション
金属球
ショットタワー（現在は廃止）で、溶融金属（鉛や鋼など）がふるいを介して自由落下しました。十分な高さ（数百フィート）で、金属はタワーの底での衝撃（通常は水槽内）に耐えるのに十分なほど堅固です。ショットは空中を通過し、底部での衝撃によりわずかに変形した可能性がありますが、この方法では、ショットガンのシェルで直接使用したり、より高い精度を必要とする用途向けにさらに加工することで洗練されたりするのに十分な真円度の金属球が生成されました
高品質の結晶
まだ商用アプリケーションではありませんが、結晶格子の欠陥を減らすために、宇宙ステーションや自動化された人工衛星のように、マイクログラムで結晶を成長させることに関心があります。そのような欠陥のない結晶は、特定のマイクロエレクトロニクス用途に有用であり、その後のX線結晶学用に結晶を生成するのにも役立つ可能性があります。
- 地球の重力（1 g、左）と微小重力（右）での水の沸騰の比較。熱源は写真の下部にあります。
- 地球上でのキャンドルの燃焼（左）と、ISSで見られるような微小重力環境（右）での燃焼の比較。
- 1995年にロシアの宇宙ステーションミールでアメリカの科学者によって成長したタンパク質結晶。
- 宇宙空間（左）と地球（右）でのインスリン結晶成長の比較。
- メディアを再生するこのビデオで示されているように、液体は地球とは異なる動作をする場合もあります
micro-g環境の健康への影響
宇宙船酔い
宇宙乗り物酔い（SMS）は、宇宙に飛び込むすべての宇宙飛行士のほぼ半数を苦しめる乗り物酔いのサブタイプであると考えられています。 SMSは、体液、頭痛、背中の痛みの頭からのシフトによる顔の蒸れとともに、 空間適応症候群 （SAS）を構成する広範な症状の一部です。 SMSは、1961年に4番目の有人宇宙飛行の第2軌道で最初に説明されました。宇宙飛行士のGherman TitovがVostok 2に乗り、ほとんどが乗り物酔いと一致する身体的苦情で混乱していると説明しました。これは、宇宙飛行の最も研究されている生理学的問題の1つですが、多くの宇宙飛行士にとって大きな困難をもたらし続けています。場合によっては、宇宙飛行士が宇宙で予定されている職業任務から離れなければならないほど衰弱することがあります。ただし、ほとんどの場合、宇宙飛行士はパフォーマンスが低下しても症状を解決します。
地球上で最も厳格で要求の厳しい物理的操縦のいくつかの経験にもかかわらず、最も経験豊かな宇宙飛行士でさえSMSの影響を受け、重度の吐き気、発射物の嘔吐、疲労、mal怠感（気分が悪くなる）、および頭痛の症状を引き起こす可能性があります。これらの症状は突然発生し、警告なしに宇宙旅行者が嘔吐を封じ込める時間なく突然吐き出し、他の宇宙飛行士に影響を与える可能性のある強い臭気とキャビン内の液体が発生する可能性があります。症状は通常、無重力状態に入ると1〜3日続きますが、地球の重力への再突入時または着陸直後にも再発する可能性があります。 SMSは地上の乗り物酔いとは異なり、発汗と白は一般的に最小限または存在せず、胃腸の所見は通常、胃腸の運動性の低下を示す腸音の欠如を示します。
吐き気と嘔吐が解消した場合でも、中枢神経系の症状が持続し、宇宙飛行士のパフォーマンスが低下する場合があります。 GraybielとKneptonは、1976年に乗り物酔いに関連する嗜眠と眠気の症状を説明するために「ソパイト症候群」という用語を提案しました。それ以来、それらの定義は「...実際の暴露の結果として発達する症状複合体または見かけの動きであり、過度の眠気、las怠感、嗜眠、軽度のうつ病、および割り当てられたタスクに集中する能力の低下によって特徴付けられます。」一緒に、これらの症状は、常に一時的ではあるが、生死の問題に常に注意を払わなければならない宇宙飛行士に大きな脅威をもたらす可能性があります。
SMSは、視覚システム（視力）および固有受容システム（姿勢、体の位置）からの感覚情報が半規管および耳石からの誤認情報と競合する場合に発生する前庭システムの障害であると最も一般的に考えられています内耳。これは「ニューラルミスマッチ理論」として知られ、1975年にReason and Brandによって最初に提案されました。あるいは、体液移動仮説は、無重力が下半身の静水圧を低下させ、体の残りの部分から頭に向かって体液が移動することを示唆しています。これらの体液シフトは、脳脊髄液圧（背中の痛みを引き起こす）、頭蓋内圧（頭痛を引き起こす）、および内耳液圧（前庭機能障害を引き起こす）を増加させると考えられています。
SMSの問題の解決策を模索する多くの研究にもかかわらず、それは宇宙旅行の継続的な問題のままです。トレーニングやその他の身体的操作などのほとんどの非薬理学的対策は、最小限の利点しか提供していません。ソーントンとボナートは、「飛行前および飛行中の適応努力、それらのいくつかは必須であり、それらの大部分は厄介であるが、大部分は運用上の失敗であった」と述べた。これまでのところ、最も一般的な介入は、制吐性のある注射可能な抗ヒスタミン薬であるプロメタジンですが、鎮静は問題のある副作用になる可能性があります。他の一般的な薬理学的選択肢には、メタクロプロミド、およびスコポラミンの経口および経皮投与が含まれますが、眠気と鎮静もこれらの薬物の一般的な副作用です。
筋骨格効果
宇宙（または微小重力）環境では、荷降ろしの影響は個人によって大きく異なり、性差が変動性を悪化させます。ミッション期間の違い、および同じミッションに参加している宇宙飛行士のサンプルサイズが小さいことも、宇宙で見られる筋骨格障害の変動に加わります。筋肉損失に加えて、微小重力は、骨吸収の増加、骨塩密度の減少、および骨折リスクの増加につながります。骨吸収により、尿中カルシウム濃度が上昇し、その後、腎結石のリスクが増加する可能性があります。
宇宙飛行中に筋肉が人間の骨格の重量を支えることから解放される最初の2週間で、筋肉全体の萎縮が始まります。姿勢筋はより遅い線維を含み、非姿勢筋群よりも萎縮しやすい。筋肉量の損失は、タンパク質の合成と分解の不均衡が原因で発生します。筋肉量の減少には、筋力の低下も伴います。筋力の低下は、ソユーズ3ミッションとソユーズ8ミッションでわずか2〜5日間の宇宙飛行の後に観察されました。収縮力と筋肉全体の力の生成の減少は、微小重力に応答して発見されています。
筋骨格系に対する微小重力の影響に対抗するには、有酸素運動が推奨されます。これは多くの場合、飛行中のサイクリングの形を取ります。より効果的なレジメンには、抵抗運動またはペンギンスーツの使用（反重力筋のストレッチ負荷を維持するために縫い付けられた弾性バンドが含まれています）、遠心分離、および振動が含まれます。遠心分離は、筋肉の萎縮を防ぐために、宇宙ステーションに地球の重力を再現します。遠心分離機を使用するか、宇宙ステーションの内壁に沿ってサイクリングすることにより、遠心分離を実行できます。全身振動は、不明なメカニズムを通じて骨吸収を低下させることがわかっています。振動は、支点に並置された垂直変位を使用する運動装置を使用するか、垂直軸で振動するプレートを使用することにより伝達できます。筋肉量を増加させるベータ2アドレナリン作動薬の使用、および抵抗運動と組み合わせた必須アミノ酸の使用は、宇宙での筋萎縮と戦う薬理学的手段として提案されています。
微小重力は高さの増加にもつながります。 2018年、日本の宇宙飛行士は、国際宇宙ステーションに搭載されたわずか3週間の微小重力で2センチメートルの成長を報告しました。
心血管系の影響
骨格系と筋肉系の隣にある心血管系は、地球よりも無重力状態での負担が少なく、宇宙空間での長時間の使用で無条件になります。通常の環境では、重力は下向きの力を及ぼし、垂直の静水圧勾配を設定します。立っているとき、血管と脚の組織にいくらかの「過剰な」液体が存在します。 micro-g環境では、静水圧勾配が失われるため、一部の液体は胸部と上半身に向かって急速に再分配されます。循環血液量の「過負荷」として感知されます。 micro-g環境では、新たに感知された過剰な血液量は、過剰な体液を組織や細胞に排出することで調整され（12-15％の体積減少）、赤血球は下方に調整されて正常な濃度を維持します（相対的貧血）。重力がない場合、静脈の血液は右心房に急流します。これは、重力により血液が脚や腹部の血管に引き込まれなくなり、結果として一回拍出量が増加するためです。体が重力の再導入に適応しようとするため、これらの流体の変化は通常の重力環境に戻るとより危険になります。重力が再び導入されると、液体は下に引っ張られますが、循環液と赤血球の両方が不足します。血液量の減少による起立性ストレス中の心臓充満圧と一回拍出量の減少が起立性不耐性の原因です。起立不耐症は、圧力と一回拍出量の不足により、意識と姿勢を一時的に失う可能性があります。より慢性的な起立不耐症は、吐き気、睡眠障害、その他の血管運動症状などの追加の症状を引き起こす可能性があります。
無重力が心血管系に及ぼす生理学的影響に関する多くの研究は、放物線飛行で行われています。人間の実験と組み合わせることができる唯一の実行可能なオプションの1つであり、放物線飛行は、宇宙に移動することなく、体に対するマイクロg環境の真の効果を調べる唯一の方法です。放物線飛行の研究により、micro-g環境での心血管系の変化に関する幅広い結果が得られています。放物線飛行の研究により、起立不耐性の理解が深まり、宇宙飛行士が地球に帰還する際に受ける末梢血流が減少しました。ポンプによる血液の損失により、心臓はマイクロg環境で萎縮する可能性があります。心臓が衰弱すると、血液量が少なくなり、血圧が低下し、めまいを起こさずに脳に酸素を送る身体の能力に影響を与える可能性があります。 micro-g環境の影響の既存の条件。現在の対策の1つは、塩溶液を飲むことです。これは、血液の粘度を増加させ、その後血圧を上昇させ、マイクロg環境後の起立不耐性を緩和します。別の対策には、選択的アルファ-1アドレナリン作動薬であるミドドリンの投与が含まれます。ミドドリンは動脈および静脈の収縮を引き起こし、圧受容器反射による血圧の上昇をもたらします。
労働者の安全への影響
宇宙船酔いは、宇宙飛行士のパフォーマンス低下につながる可能性があります。 SMSは、運用要件を脅かし、状況認識を減らし、micro-g環境にさらされている人の安全を脅かします。特に宇宙飛行士が地球に戻るとき、筋肉量の損失は運動の困難につながります。緊急脱出の必要が生じた場合、これは安全性の問題を引き起こす可能性があります。筋肉の力が失われると、宇宙飛行士が着陸時の衝突の場合に、緊急脱出用ハッチを登ったり、型破りな出口スペースを作ったりすることは、不可能ではないにしても非常に困難になります。さらに、空間での骨吸収と不十分な水分補給は、腎臓結石の形成、およびその後の痛みによる突然の無力化につながる可能性があります。これが飛行の重要な段階で発生した場合、作業者の負傷や死亡につながるカプセルのクラッシュが発生する可能性があります。短期および長期の健康への影響は、マイクロG環境への曝露による心血管系で見られ、地球または通常の重力環境に戻った後に曝露した人を制限します。作業者の安全のためにmicro-g環境を扱う際には、適切な予防措置が考慮されるように対策を講じる必要があります。起立不耐症は、圧力と一回拍出量の不足による一時的な意識喪失につながる可能性があります。この意識の喪失は、影響を受ける人々を抑制し、危険にさらし、致命的な結果につながる可能性があります。
