ISS ECLSS
ISS生命維持システムの構成要素を示すフローチャート。詳細は隣接するテキストをご覧ください。
ISS環境制御生命維持システム（ECLSS）のコンポーネント間の相互作用

環境制御・生命維持システム（ECLSS、ee-kliss ）は、国際宇宙ステーション（ISS）の重要な構成要素であり、地球と同様の海面気圧を維持し、乗組員にとって安全で居住可能な環境を維持する役割を担っています。地球と同様の大気を維持することで、乗組員の快適性と安全性が向上し、純酸素環境よりも大幅に安全です。

ISS ECLSS のさまざまなサブシステムは、大気圧の調整、温度と湿度の制御、二酸化炭素の除去、酸素と窒素のレベルの管理、換気の提供、下水の処理、飲料水の生成を行います。

このシステムは、NASAマーシャル宇宙飛行センター、UTCエアロスペースシステムズ、ボーイング、ロッキード・マーティン、ハネウェルによって共同で設計・試験されました。ECLSSは、主な機能に加えて、将来の深宇宙ミッション向けのより高度な生命維持システムの概念実証としても機能します。[ 1 ]

2020年代現在、ISS ECLSSは長期閉ループ生命維持システムとして運用を継続しており、ミッション期間の延長に対応するための技術実証と運用上のアップグレードが組み込まれています。ECLSSのデータと運用経験は、ルナゲートウェイや将来の有人火星ミッションの生命維持装置の設計に積極的に活用されています。[ 2 ]

水回収システム

ISSには2つの水回収システムが搭載されています。ズヴェズダには、大気中の水蒸気を処理する水回収システムが搭載されており、緊急時には飲料水として利用できますが、通常はエレクトロンシステムに送られて酸素を生成します。アメリカ船には、STS-126 [ 3 ]中に水回収システムが設置されており、大気中から集められた水蒸気と尿を飲料水に変換することができます。水回収システムは、2008年11月にデスティニーに仮設置され[ 3 ] 、2010年2月にトランクウィリティ（第3結合部）に移設されました[ 4 ]。

2012 年にマーシャル宇宙飛行センター ECLSS 試験施設に展示された 3 つの ECLSS ラック。左から、水回収システム (ラック 1)、WRS (ラック 2)、酸素発生システム。

水回収システムは、尿処理装置と水処理装置で構成されており、3つのECLSSラックのうち2つに収納されています。[ 5 ]

尿処理装置は、遠心分離機を使って低圧真空蒸留プロセスを採用しており、重力の欠如を補って液体とガスを分離するのに役立ちます。[ 6 ]尿処理装置は、6人の乗組員のニーズに応えて、1日あたり9kgの負荷を処理できるように設計されています。[ 3 ]設計では水分含有量の85%を回収することになっていましたが、その後の硫酸カルシウム沈殿の経験[ 4 ] (ISSの自由落下状態では、骨密度の低下により尿中のカルシウム濃度が上昇する) により、水分含有量の70%を回収するという運用レベルに修正されました。

尿処理装置と廃水源からの水は合流して水処理装置に送られ、そこでガスと固形物がろ過床を通過した後、高温触媒反応装置に送られます。その後、水は搭載センサーによって検査され、不合格の水は水処理装置に再循環されます。[ 5 ] [ 6 ]

1998年1月、 STS-89で揮発性物質除去装置が飛行し、水処理装置の触媒反応器を微小重力下で実証した。蒸気圧縮蒸留飛行実験装置はSTS-107で飛行したが、破壊された。[ 6 ]

尿処理装置の蒸留アセンブリは、最初の設置から翌日の2008年11月21日に故障しました。[ 3 ] 3つの遠心分離機速度センサーのうち1つが異常な速度を示し、遠心分離機モーターの高電流が観測されました。これは、複数のゴム製防振装置を取り外した蒸留アセンブリを再設置することで修正されました。蒸留アセンブリは2008年12月28日にモーター電流の高値により再び故障し、2009年3月20日に交換されました。最終的に、故障後の検査中に、遠心分離機速度センサー1つの位置ずれとコンプレッサーベアリングの故障が判明しました。[ 4 ]

2010年代後半までに、水回収システムは、湿気凝縮水と廃水を合わせた約90％の水回収率を一貫して達成し、地球からの水補給の必要性を大幅に削減し、軌道上での持続的な閉ループ水リサイクルの実現可能性を実証しました。[ 7 ]

雰囲気

ISSでは現在、地球の大気に近い宇宙船の大気を維持するために、いくつかのシステムが使用されています。[ 8 ] ISSの通常の気圧は101.3  kPa（14.7  psi）で、地球の海面と同じです。「ISSの乗組員は気圧が低くても健康を維持できますが、ISSの機器は圧力に非常に敏感です。気圧が過度に低下すると、ISSの機器に問題が発生する可能性があります。」[ 9 ]

ズヴェズダのエレクトロンシステムとデスティニーの類似システムは、宇宙ステーション内で酸素を生成する。[ 10 ] 乗組員は、酸素ボンベと固体燃料酸素発生装置（SFOG）というバックアップオプションを利用できる。[ 11 ]二酸化炭素はズヴェズダのヴォズドゥフシステム によって空気から除去される。二酸化炭素除去装置（CDRA）は米国のラボモジュールに1台、米国のノード3モジュールに1台設置されている。人間の代謝によるその他の副産物、例えば放屁によるメタンや汗によるアンモニアなどは、活性炭フィルターまたは微量汚染物質制御システム（TCCS）によって除去される。[ 11 ]

継続的な大気監視と米国とロシアのシステム間の冗長性により、ハードウェアの故障や補給ミッションの遅延時でも、大きな大気の事故を起こすことなく乗組員が長期間滞在することが可能になった。[ 12 ]

空気再生システム

二酸化炭素と微量汚染物質は、空気再生システムによって除去される。これはNASAのラックで、トランキリティに設置されており、二酸化炭素除去装置（CDRA）、大気中の有害な微量汚染物質を除去する微量汚染物質制御装置（TCCS）、窒素、酸素、二酸化炭素、メタン、水素、水蒸気を監視する主成分分析装置（MCA）を提供するように設計されている。空気再生システムはSTS-128で国際宇宙ステーションに輸送され、日本実験棟与圧モジュールに一時的に設置された。このシステムはトランキリティ到着後に同宇宙ステーションに移送される予定で、スペースシャトル・エンデバー号のミッションSTS-130中に設置された。[ 13 ]

酸素発生システム

酸素生成システム（OGS）は、ロシアのエレクトロン酸素生成器と同様に、水回収システムからの水を電気分解して酸素と水素を生成するNASAのラックです。酸素はキャビンの大気に送り込まれます。この装置はデスティニーモジュールに設置されています。船外活動中に、STS-117の宇宙飛行士はOGSを操作するために必要な水素ベントバルブを設置しました。[ 14 ] OGSは2006年にSTS-121によって運ばれ、2007年7月12日に運用を開始しました。[ 15 ] 2001年から、米国の軌道セグメントは、クエストエアロックモジュールの加圧タンクまたはロシアのサービスモジュールに貯蔵された酸素を使用していました。2010年10月にサバティエシステムが起動する前は、キャビンから抽出された水素と二酸化炭素は船外に排出されていました。[ 6 ]

2010年10月、給水された水がわずかに酸性化したため、OGS（酸素供給システム）は正常に動作しなくなりました。ISSのクルーは、エレクトロン社製の酸素発生器と地球から持ち込まれた酸素に6ヶ月間頼りました。2011年3月、STS-133によって修理キットが届けられ、OGSは完全に稼働しました。[ 16 ]

高度なクローズドループシステム

先進閉ループシステム（ACLS）は、二酸化炭素（CO2）と水を酸素とメタンに変換するESAのラックです。CO2はアミンスクラバーによってステーションの空気から除去され、その後、スクラバーから蒸気によって除去されます。CO2の50％はサバティエ反応によってメタンと水に変換されます。二酸化炭素の残りの50％は、生成されたメタンとともにISSから排出されます。水は電気分解によってリサイクルされ、水素（サバティエ反応器で使用）と酸素が生成されます。これは、酸素を生成するために地球からの安定した水供給に依存しているNASAの酸素生成ラックとは大きく異なります。この節水機能により、貨物補給に必要な水が年間400リットル削減されました。これだけで3人の宇宙飛行士に十分な酸素を再生できます。[ 17 ]

ACLSは、2018年9月のこうのとり7号機の打ち上げで運ばれ、技術実証機としてデスティニーモジュールに設置されました（1～2年間の運用を予定）。[ 18 ] ACLSは成功し、ISSに恒久的に搭載されています。[ 19 ]

ACLSのデータは、実証が成功した後、 ESAとNASAの生命維持開発プログラムに組み込まれ、特に探査クラスのミッションにおける消耗品の削減とシステムの自律性の向上に重点が置かれています。[ 20 ]

ACLS には 3 つのサブシステムがあります。

  • 二酸化炭素濃縮アセンブリ (CCA) は、アミン反応を利用して車内の空気から二酸化炭素を吸収・濃縮し、二酸化炭素を許容レベル内に保ちます。
  • 二酸化炭素再処理アセンブリ（CRA）。サバティエ反応器は、CCAからのCO2とOGAからの水素を反応させて水とメタンを生成します。
  • 酸素発生アセンブリ (OGA) は、水を電気分解して酸素と水素を生成します。

NASAサバティエシステム

NASAのサバティエシステム（2010年から2017年まで使用）は、酸素発生システムから排出された廃水素と宇宙ステーションの大気中の二酸化炭素をサバティエ反応によって結合させ、酸素を回収することで、ECLSS内の酸素循環を完結しました。この反応の出力は水とメタンでした。水は地球から宇宙ステーションに持ち込まれる水の総量を減らすために再利用され、メタンは酸素発生システム用に設置された水素排出ラインから船外に排出されました。[ 21 ]

エレクトロン

ZvezdaサービスモジュールのElektronユニット。

Elektronはロシア製の電解酸素発生装置で、ミールにも使用されました。ISS内で回収された水分子を電気分解し、酸素と水素に変換します。酸素は客室内に、水素は宇宙空間に放出されます。ISSに搭載されている3台のElektronユニットは問題に悩まされており、乗組員は頻繁にバックアップ電源（ボトル入り酸素または後述するVikaシステム）の使用を余儀なくされていました。NASAは6人の乗組員をサポートするために、前述の酸素発生システムを追加しました。

2004年、エレクトロンユニットは（当初は）原因不明で停止しました。2週間のトラブルシューティングの後、ユニットは再起動しましたが、すぐに停止しました。原因は最終的にユニット内の気泡にあると特定され、 2004年10月のプログレス補給ミッションまで機能しませんでした。 [ 22 ] 2005年、ISSの乗組員は到着したばかりのプログレス補給宇宙船の酸素供給源を利用しましたが、エレクトロンユニットが故障しました。[ 23 ] 2006年、故障したエレクトロンユニットから発生した煙により、NASAのフライトエンジニアは「宇宙船緊急事態」を宣言しました。焦げ臭い匂いがしたため、ISSの乗組員はエレクトロンユニットの火災を疑ったものの、ユニットは「非常に高温」だっただけでした。腐食性で無臭の水酸化カリウムが漏れたため、ISSの乗組員は手袋とフェイスマスクを着用せざるを得ませんでした。匂いは過熱したゴム製シールから発生したのではないかと推測されています。この事故はSTS-115が離陸した直後、補給ミッション（宇宙旅行者アヌーシェ・アンサリを含む）の到着直前に発生した。[ 24 ]エレクトロンは、 2006年10月のプログレス補給船に新しいバルブとケーブルが到着した後、2006年11月までオンラインに戻らなかった。[ 25 ] ERPTC（電気回復処理端末電流）は、システムへの損傷を防ぐためにISSに挿入された。2020年10月、エレクトロンシステムは故障し、修理のために短時間停止する必要があった。[ 26 ]

ヴィカ

国際宇宙ステーションで使用されるVikaまたはTGK酸素発生器は、固体燃料酸素発生装置（SFOG）としても知られ、ロスコスモスがミール向けに開発した化学酸素発生器であり、代替酸素発生システムを提供します。[ 27 ]これは、加熱するとガス状酸素と固体塩化リチウムに分解する固体過塩素酸リチウムの容器を使用します。[ 27 ]各容器は、乗組員1人の1日の酸素需要を供給できます。[ 28 ]

ヴォズドゥフ

ロシアの別のシステムであるヴォズドゥフ（ロシア語でВоздух、「空気」の意）は、再生可能な二酸化炭素ガス吸収装置を使用して空気中の二酸化炭素を除去します。[ 29 ] 2018年に、2台のヴォズドゥフ（SKVとも呼ばれる）のうち1台がコマンドなしで停止したが、しばらくして再起動するという事故が発生しました。[ 30 ]

温度と湿度の制御

温湿度制御システム（THC）は、ISSのECLSS（宇宙ステーション補給システム）のサブシステムであり、宇宙ステーションの空気供給における一定の温度と湿度を維持します。熱制御システム（TCS）はTHCシステムの一部であり、能動熱制御システム（ATCS）と受動熱制御システム（PTCS）に分かれています。湿度の制御は、温度の上昇または下降、および空気への水分の添加によって可能です。[ 31 ]

火災検知と消火

火災検知および消火 (FDS) は、火災が発生したことを識別し、消火措置を講じるためのサブシステムです。

ISSのECLSSは、これまでに配備された最も先進的な運用生命維持システムの一つであり、将来の有人宇宙飛行ミッションにおいても重要な意味を持ちます。2020年以降も運用が継続されることは、微小重力下における再生型生命維持装置の長期的な実現可能性を実証しています。[ 32 ]

ウィキメディア・コモンズには、国際宇宙ステーションの生命維持システムに関連するメディアがあります。

参照

参考文献

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