スペースコロニー

オニールのシリンダー型コロニーの想像図

スペースコロニーは、1969年に当時アメリカのプリンストン大学教授であったジェラルド・オニールらによって提唱された、宇宙空間に作られた人工の居住地。宇宙植民島もしくは宇宙島といわれる場合もある。

概要

スペースコロニーは、1969年にアメリカのプリンストン大学にて、ジェラルド・オニール博士と学生たちのセミナーの中での、惑星表面ではなく宇宙空間に巨大な人工の居住地を作成するというアイデアから誕生した。1974年にニューヨーク・タイムズ誌に掲載されたことから広く一般に知られるようになった。

地球と月との引力の関係が安定する領域「ラグランジュポイント」に設置され、居住区域を回転させて遠心力によって擬似重力を得る。コロニー内部には地球上の自然が再現され、人々が地球上と変わらない生活ができるようになるという構想である。

例えば直径約6kmの円筒形のスペースコロニーが地球と同じ重力 (1G) を得るには、1分50秒で一回転すればよい。これはかなりの高速だが、地球と同じだけの重力を必要としないのであればそれほど問題ではない。

地球全体での人口の爆発的増加・資源枯渇などに対する解の一つとして注目されたが、冷戦構造が終結し各国の宇宙開発投資が抑制されていること、特に先進国においては出生率低下傾向が続いていることなどから、今のところ現実のプロジェクトとして具体化してはいない。また、仮に百万人収容できるスペースコロニーを建造できたとしても、世界の人口は一年に一億人前後増加しているため、一年に100基ものスペースコロニーを建造してやっと人口増加分を吸収できる計算である。さらに、建築材料は月や小惑星から持ってくるとしても、居住する人間は地球から衛星軌道まで運ばねばならない。人数と費用を考慮すると軌道エレベータのような新規の輸送手段が必要である可能性もある。以上のような理由より、費用対効果の面から考えると、人口爆発の解決策として有効であると単純には言えない。現在では単に宇宙空間への植民手段の一つとして認識されている。

デザイン

スペースコロニーのデザインとしては、以下のような案が提唱されている。

シリンダー型

1974年にジェラルド・オニールにより提案されたデザイン。"島3号" ("Island Three") とも呼ばれる。オニールのスペースコロニーと言った場合、一般的にこのモデルを指す。シリンダーは直径6km、長さ30kmで1000万人の人口を想定している。0.55rpmで回転（1分50秒で1回転）し、地球と同等の重力を発生させる。円筒内部は軸方向に6つの区画に分かれており、交互に陸と窓の区画となっている。窓の外側には太陽光を反射する可動式の鏡が設置され、昼夜や季節の変化を作り出す。窓の蓋の様に見える為か、稀に誤解する者がいるが、この反射鏡は凹面鏡ではなく平面である。

ベルナール球

ファイル:External view of a Bernal sphere.jpg

ベルナール球の想像図

1929年にJ・D・ベルナールが提案したデザイン。原案では、直径16kmの球殻に2万～3万人の人口を想定していた。後にスタンフォード大学にて再設計され、直径500m、1万人の人口で、1.9rpmで回転して赤道部分に地球と同等の重力を持つ構造のものが提唱されるようになった。この設計案では、太陽光は外部に設置された鏡にて反射され、極付近の大きな窓から取り込まれる。"島1号" ("Island One") とも呼ばれる。

スタンフォード・トーラス

ファイル:Stanford torus under construction.jpg

スタンフォード・トーラスの想像図

1975年にスタンフォード大学にて設計されたトーラス型（ドーナツ型）のデザイン。直径1.6km、1万人の人口を想定しており、1rpmで回転してリング内部の外側に、地球と同等の重力を発生させる。太陽光は鏡で取り込まれる。リングはスポークで結ばれ、スポークは人や物資の移動にも使用される。また、スポークで繋がれたハブは無重力であるため、宇宙船のドッキングなどに使用される。"島2号" ("Island Two") とも呼ばれる。

小惑星型

構造物を一から建造するのではなく、小惑星や小型衛星などの天然天体の内部をくり貫き、内側を居住区域とするもの。

建造資材を自己調達できるメリットがある。

技術的課題

スペースコロニーで健康な人間集団を維持するためには、以下のような多くの課題を解決しなければならない。

大気

基本的に、殆どのコロニーのデザインは巨大で、薄い壁に覆われた圧力容器とみなすことができる。コロニー内部に地球と同じ大気を実現するには大量の酸素と窒素を必要とする。そのうち，酸素は月の石から入手可能である。窒素は地球から入手できるが、地球からの輸送には多大な費用がかかる。そのため完璧に近い空気のリサイクルを行う必要がある。空気は様々な方法でリサイクルすることが可能であり、わかりやすい手段としては、光合成のための庭園（できれば水耕栽培か森林庭園）を使用する方法である。しかしながら、これらは工業汚染（たとえば揮発油や過剰の分子性ガス）は取り除けない。原子力潜水艦で使われている標準的な方法として、触媒としてバーナーを使うものがあり、これは殆どの有機物を取り除くのに効果的である。それ以上の保護のために、小さな低温の蒸留装置で徐々に不純物（水銀蒸気やバーナーでは除去できない希ガス）を取り除く必要があるかもしれない。

食料の有機物

有機物の大部分は、初めは月や小惑星、または地球から輸入しなければならない。だがその後は、リサイクルにより輸入の必要性を減らすことができる。提案されているリサイクル方法の一つとして、低温の蒸留物、植物、ゴミ、それに下水を電気アークで焼却して、それをさらに蒸留するものがある。それにより、二酸化炭素と水は直ぐに農場で使用できるだろう。灰の中の硝酸塩と塩は、水に溶かすことで純粋な鉱物に分離される。ほとんどの硝酸塩、カリウム、ナトリウム塩は有効に肥料としてリサイクルできるだろう。鉄、ニッケル、およびシリコンを含むその他の鉱物は、まとめて化学的に精製して工業用に再利用できる。残ったごく一部（重量にして0.01%未満）の資源は無重力下の質量分光法で純粋な元素へと処理し、肥料や工業資材へと加えることができる。この方法はNASAの研究で証明された手段にすぎない。人々が実際にスペースコロニーで生活を始めれば、より洗練された方法がとられるようになるだろう。

重力

長期間の軌道上での研究で、無重力では骨と筋肉が弱くなり、カルシウムの新陳代謝や免疫システムの調子が悪くなることが立証されている。ほとんどの人々が絶え間ない鼻づまりか鼻炎となり、一部の人々はさらに劇的で、不治の^要出典宇宙酔いとなる。そのため、ほとんどのコロニーは擬似重力（遠心力）を発生させるために回転運動を利用するデザインがなされている。NASAの鶏と植物を使った研究で、遠心力は生理学上は重力の有効な代わりとなることが証明されている。だが、そのような環境で人の頭を素早く回転させることは、人の内耳が異なる回転速度で動き、"傾き"を感じる原因となる。遠心分離機による研究では、半径100m未満で3rpm以上の回転速度で回転する住居の中では、人々は乗り物酔いとなるということが示された。しかし、この研究と統計上の推測によれば、ほとんど全ての人々が半径500m以上で1rpm以下で回転する住居の中であれば、快適に生活できることも示された。

放射線

宇宙空間での放射線については、二つの異なる問題がある。1つは宇宙線で、年間80mSvの被曝をすることになる。50mSvが安全上の最大値で、健康上問題ない最大値は3mSvである。もう一つは、太陽フレアによりたまに放射される大量のX線と高エネルギー荷電粒子である。これらの現象が起きると、50%致死線量 (LD50) の4Svを超えるほどの放射線が放出される。研究の結果、興味深いことに、巨大なスペースコロニーではその構造（2m以上の厚さの鉄）と空気がガンマ線を効果的に遮蔽する盾となることが発見された。小さなコロニーでは、外側に多量の岩石を浮かべて（回転させないで）盾とすることができる。太陽光は放射線対策をしたルーバーから鏡を通して入射させることができる。

温度管理

コロニーは真空中に存在することから、巨大な魔法瓶に類似しているといえる。したがって、取り入れた太陽光と生物からの熱を除去するためのラジエターが必要となる。非常に小さなコロニーでは、コロニーと一緒に回転する放熱翼を持つかもしれない。このデザインでは、対流により暖かい空気が翼に集められ、冷たい空気はコロニー内へと沈んでいくだろう。また、他のデザインとしては、中心的なラジエターにより冷やした水などを冷却材として分配するというものもあるだろう。温度管理ではラジエターの費用が主であると考えられるため、廉価なコロニーはおそらく非常に暖かいだろう。

建設場所

コロニーに最適な軌道についてはまだ議論されているが、それはおそらくもう商業的な問題である。月とのラグランジュ点L4とL5の軌道は、現在では月・地球の双方から遠すぎると考えられるようになっている。より新しい案として、交互に月と地球に近づき、双方に低エネルギー（安価）で接近できる2:1の共鳴軌道を使用することが提案されている。これにより、原材料と市場の双方を素早く、かつ安価に利用することができる。また、ほとんどのコロニーのデザインでは、ロケットの代わりにテザー衛星やマスドライバーを使用することが考えられている。これらの利点は、どちらも推進剤を全く使用しないか、あるいは非常に安価だということである。

姿勢制御

コロニーの設計では、ほとんどの鏡が太陽に向くことが要求されている。オリジナルのオニールのデザインでは、二つのシリンダーをモーメンタムホイールとして使用し、歳差運動により角度を変更して、太陽方向に押し出すようになっていた。以降のデザインでは、軌道上で回転して、窓に太陽光が直角に指すように、小さな電気モーターで太陽を追うように誘導できる軽量な鏡を使用するなどしている。

事故・テロ対策

数万人もの人々が「薄い壁に覆われた圧力容器」の中に住むコロニーは、事故・テロ等の災害に極端に弱いと考えられる。この為、非常時の救命設備と住民の避難訓練に万全を期する必要がある。