宇宙用の応用素材は何があるのか？ たとえば、次世代宇宙服は何を使って作るのでしょうか？ あるいはそれを太陽系外惑星に運ぶ宇宙船？ 私たちの目的のためには、地平線の向こうにやってくるものは避けましょう。誰も、ベーパーウェアや、一見ピカピカしているが結局は人を殺してしまうような不運なギミックのことは読みたくないのです。 ここでは、実際に使用されているもの、少なくとも現場でベータテストが行われているものだけを取り上げます。 大まかに言えば、新しい材料を作るためのレシピは製造方法と共進化し、材料を使ってやろうとしていることは、より野心的になっています。 私たちはこれまで以上に大きな危険と戦っており、使用する材料の組成と性能に関しても、それに見合ったレベルに到達しなければなりません。 高度な複合材料は、別々の材料を重ね合わせ、合金は、均質な完成品を得るために、ものを溶かしたり、一緒に溶かしたりするものです。 セラミックの古典的な定義は、酸化物、窒化物、炭化物の材料で、非常に硬くてもろい、つまり、十分に大きな物理的衝撃を与えると壊れるということです。 セラミックスは、圧縮には強いが、引っ張りやせん断応力には弱いという性質があります。 しかし、セラミック素材を砂糖まきのように糸状になるまで加熱し、ノズルから吹き付けて繊維にすると、セラミックウールやシリカフェルト、「フレキシラミックス」などの柔らかく柔軟な布に加工することができるのです。 4220>
ガラスセラミックスは、別の名前で呼ばれているとしても、私たちのほとんどにもう少し馴染みのあるもので、今日のスマートフォンでよく見られるゴリラガラスです。 これは、高温でのみ溶解するセラミック ドーパント粒子の周囲に溶融ガラスを核生成させることによって形成されるアルミノケイ酸塩ガラスです。 コーニングによると、冷却すると結晶化度は50〜99%になるという。 こうしてできた材料は、透明であることを除けば、ほとんどガラスに似ていない。 また、焼き入れをすると、張力と圧縮のバランスにより、非常に強靭な素材となる。 ガラスセラミックスは、導電性コーティングとの相性もよく、エンジニアは、宇宙船の窓ガラスにこの機能を利用して、結露や氷のない状態を保っています。
Material Chemistry
宇宙船の窓は材料科学の優れた応用例といえるでしょう。 宇宙船にふさわしい窓を作る方法の1つは、100％純粋な溶融二酸化ケイ素である溶融シリカ（fused silica）です。 もうひとつのクレイジーな窓材は、アルミニウム酸窒化物で、これは実は防弾に使われる透明なセラミックなのです。 酸化窒化アルミニウムの防弾製品を製造しているあるメーカーのビデオでは（下記参照）、1.6インチのAlONで50口径の徹甲弾を完全に止めることができたとあります。 AlON と溶融シリカは両方とも、フリットと呼ばれる微粉末から始まり、型に押し込んで、信じられないような温度で焼いて、透明で超硬質な一枚の材料にします。
100%純粋な物質を扱う場合を除き、多くの場合不可能ですが、ドーピングという考え方がすべての中心になります。 ドーピングとは、平凡なレシピに特別なものをひとつまみ加えることで、純粋なときの欠点に対処することなく、特別なものの利点を利用することを意味します。 多くの場合、ドーピングから得られるものは、親材料のいずれともほとんど類似していません。
冶金はドーピングに多くを依存しており、この場合、合金化と呼ばれます。 金属でできることは、かなりファンタスティックなものがあります。 アルミニウム-ニオブ合金は、ファルコン9のエンジンノズル内の熱環境に耐えられるほど高い溶融温度を持っています。 しかし、それは再生冷却を利用しているからに他なりません。推進剤がノズルの壁にあるチャンバーを循環し、ベルを冷却して推進剤を温めるのです。 (金や真鍮などの合金は、温度や化学的性質が極端に変化しても腐食しないので、重宝されています。 パルメザンチーズの固結防止剤のように、ケイ素を含む合金も存在します。ケイ素は溶融金属をより容易に流動させるので、複雑な鋳造に適しています。
摩擦攪拌接合は、接合する2つの材料を物理的に溶かして、1つの構造体としますが、SpaceXの一部のアルミニウム合金部品の接合問題を解決しています。
Image credit: Nature.
半導体の研究において、新しい材料化学をよく目にしますが、最近では、ダイヤモンド格子にシングル アトム ポイント フラックスを導入できるほどドーパントの制御が細かくなってきています。 この製造精度は、いわゆる「高エントロピー」合金にとっても重要です。4、5、またはそれ以上の異なる元素の混合物であるこの合金は、靭性に驚異的な向上をもたらし、また、この合金でできたものをより薄く、軽く、そして耐久性のあるものにすることが可能です。 MIT の冶金学者が、非常に硬くて延性の高い、高エントロピーの鋼のような合金を作りました。 タンタルとタングステンは、硬くて密度が高く、耐放射線性のある金属で、ジュノーの「放射線防護室」を作るためにチタンに混ぜ込まれました。 基本的には、ビットを反転させたり、金属を腐食させたり、接続をショートさせたりする高エネルギーの荷電粒子と実験装置の間に、原子を置くことです。 地球上では鉛が一般的ですが、宇宙飛行では鉛は柔らかすぎて振動に耐えられず、重すぎて実用的ではありません。 アルミニウムよりも丈夫で、鉄よりも軽いのです。
宇宙空間で電子機器をできるだけ長く稼働させる方法を考えることは、実は大きな問題なのです。 コンピュータを搭載しない宇宙船は作れません。 回路を小型化し、消費電力を削減し続けても、ある時点でサイズと消費電力に物理的な限界がやってきます。 この閾値の近くでは、システムに影響を与えることが非常に簡単になります。 放射線障害、温度差、電気的短絡、物理的振動などが、電子回路に危険をもたらす。 スピントロニクスは、コンピュータを進化させ、星間航行で必要なあらゆることを行うための、より広い計算帯域幅を提供することができるだろう。 また、木星のような強力な磁場では、電子機器に大きなダメージを与える電磁波の危険性を最小限に抑えることができます。
コンポジット
コンポジットは、しばしば巨大なオートクレーブなど、極めて特殊な製造設備を必要とするため、製造するのは大変なことです。
Multi-layer insulation (MLI) は熱的にも電気的にも絶縁性があり、NASA は可能な限りあらゆる場所でこの材料を使用しています。 MLIは、宇宙船が金箔で覆われているように見せるためのものです。
SpaceXは、車両構造に硬質複合材を使用しており、炭素繊維と金属ハニカムを重ねて、非常に軽量で非常に強い構造を作り出しています。
回収後、ファルコン9のフェアリングはこのようになっていました。
複合材料は物理的な危険やストレスに対して優れていますが、硬い材料が唯一の方法というわけではありません。 私が愛情を込めて「缶入りバウンス キャッスル」と呼ぶ、BEAM の膨張式宇宙居住モジュールは、ベータ クロスというユニークなガラス布を含む柔軟な複合材料でできています。 NASAなどは90年代後半からベータクロスなどを使っていますが、これには理由があります。 その理由は、この素材が「ごまかしがきかない」ことです。 PTFEコーティングされたガラス繊維をバスケット織りにしたこの素材は、グラスファイバーとテフロンを掛け合わせたようなものです。 どんなに硬く鋭い刃物で切っても、傷がつくことはありません。 柔軟性があるため、衝撃にも強い。 大気中の酸素による腐食にも強い。
ベータ・クロスと同様に、柔軟なクロメルR金属布もあり、宇宙船のボディや宇宙服の耐摩耗パッチに使用しています。 クロメルRはベータクロスのガラスマットを編んだようなものですが、硬い金属ワイヤーをコーティングして作られています。 さらに、科学者たちは、セラミック繊維の布とケブラーを何層にも重ねた「詰め物ウィップルシールド」が、スペースデブリを模した超速セラミックペレットを止めるのに、アルミニウムメッキよりもよく機能し、ペレットを溶かすか崩壊させることを発見しました（PDF)）。 単一の材料ですべてに耐えられるわけではありません。 しかし、それぞれがほとんどのものに耐性を持ついくつかの材料の薄い層をサンドイッチにすれば、着用者に合わせて曲がり、曲げることができる、すべてを防止する宇宙服が得られます。 スペースX社の次世代宇宙服のように、ダーレックスなどの層を追加し、その上にフレキシラミッククロスを重ねれば、耐火性与圧服の出来上がりです。 そこに非ニュートン流体クッションとセラミック合金の外傷板を入れれば、耐火ボディアーマーになります。 あとはヘルメットのHUDと、シートのクッションに高密度メモリーフォームがあればいい。
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