永久磁石で電力や極低温冷却なしに宇宙飛行士を太陽嵐から守る可能性
注目画像： 防護磁場を備えたオリオン宇宙船の概念図。クレジット：NASA
放射線遮蔽は、人類を火星に送る上で最大の未解決問題である。現在の選択肢は2つの陣営に分かれており、どちらも深刻な欠点を抱えている。パッシブシールド（水、ポリエチレン、アルミニウム）はロケット方程式が罰する法外な質量を必要とし、一方アクティブ超伝導磁石は継続的な極低温冷却と一定の電力供給を必要とし、太陽嵐時に決して故障してはならないシステムに単一障害点リスクをもたらす。
イタリアとドイツの研究者チームが、第三の道である、電力を必要とせず、冷却も不要で、可動部品もないネオジム永久磁石アレイの第一次評価を発表した。6月30日にジャーナル Aerospace に掲載されたこの研究は、1,482個のネオジム-鉄-ホウ素（NdFeB）磁石（各3立方センチメートル、総重量300キログラム未満）からなる1平方メートルのアレイが、太陽粒子現象の最も危険な部分である0.1～10MeVのエネルギー範囲において、入射陽子の約20％を偏向できることを実証している。
「ネオジム永久磁石を用いた磁気偏向による宇宙放射線から探査機を保護するように設計された磁気シールド」は、ローマ・サピエンツァ大学のヴァレリオ・パリシ主執筆者とその同僚が説明するように、荷電粒子に対するハイパスフィルターとして機能する。低エネルギー陽子、つまり生体組織に最も高い局所線量を送り込むものは、曲げられて逸れる。高エネルギー粒子、GeV領域の銀河宇宙線は、ほとんど影響を受けずに通過する。
この制限により、このシステムは、連続的で全方位から到来し、偏向には非現実的に強力な磁場を必要とする銀河宇宙線（GCR）に対する主要なシールドとしては不適切である。しかし、指向性があり散発的で急性放射線症のリスクを伴う太陽粒子現象に対しては、永久磁石スクリーンは軽量の保険を提供する。
ハイブリッドアプローチ
研究者らは、永久磁石アレイを多層放射線緩和戦略における補足システムとして明確に位置づけている。パッシブシールドは全方位の背景放射線を処理する。永久磁石は、同等のパッシブシールドの質量コストの数分の一で、時折発生する太陽陽子バーストを処理する。アクティブ超伝導磁石は、十分な技術的成熟度に達した場合、最終的には全スペクトルの保護を提供できる可能性がある。
質量節約が売りである。同等の太陽陽子防御レベルのパッシブシールドは、おそらく数トンのポリエチレンまたは水を必要とし、その質量ペナルティはロケット方程式のすべての段階に波及する。300キログラム未満の永久磁石アレイは打ち上げコストが安く、運用上のオーバーヘッドを必要としない。
「たとえある程度の遮蔽でも何もないよりはましであり、放射線緩和の3つの技術すべてを組み合わせたハイブリッドシステムの中に永久磁石の居場所があるかもしれない」と著者らは述べている。
解決すべき限界
本研究は第一次評価であり、著者らはその限界について率直に述べている。プロトタイプは一方向にコリメートされた陽子ビームを試験し、太陽粒子現象を模倣したが、実際の深宇宙の多方向・混合スペクトル環境は再現していない。火星ミッションにおける長期的ながんリスクの大部分に寄与する銀河宇宙線は、このアプローチでは対処されない。
二次放射線の問題も未解決である。磁石材料自体に衝突した陽子が二次中性子やガンマ線を生成し、宇宙船内の特定の場所で局所放射線量を増加させる可能性がある。いわばシールドに対するシールドが、質量節約を損なう可能性がある。
そして、減磁の問題もある。宇宙放射線にさらされたNdFeB磁石は時間とともに劣化する。研究によると、一部のグレードは約400万ラドの陽子被曝で磁力の半分を失い、約7,000万ラドで完全に減磁する。サマリウム-コバルト（SmCo）磁石は2～40倍優れた耐放射線性を提供するが、より高価でわずかに弱い磁場を生成する。チームは、代替磁石化学を今後の研究で評価すべきであると指摘している。
今後の展望
次のステップは、実際の太陽粒子現象スペクトルと銀河宇宙線スペクトルを表現した、現実的な多方向放射線環境における高度なモンテカルロシミュレーションを伴う。さらに、チームは比較的低コストで軌道上で概念をテストできるCubeSat規模の検証実験を構想している。
この論文は、深宇宙ミッションにおける磁気シールドへの関心のより広範な再燃に加わるものである。NASAのMAARSS（磁石アーキテクチャとアクティブ放射線遮蔽研究）プログラムは、拡張可能な直径16メートルのコイルを備えた1テスラの磁場強度での大型超伝導コイル設計を調査してきた。これらのコンセプトは全スペクトル保護を目標としているが、約70ケルビンまでの極低温冷却が必要であり、永久磁石アレイが回避する単一障害点リスクを伴う。
永久磁石ソリューションが火星ミッションに viable であるためには、研究は分析モデリングと実験室プロトタイプから、関連する放射線環境での実証へと移行しなければならない。CubeSatミッションのチームの提案は論理的な次のステップである。もし機能すれば、永久磁石はハイブリッド放射線防御システムの一層となり、静かで、受動的で、常に作動し、太陽嵐が襲来したときにそこにいる以外は乗組員に何も要求しない。