太陽宇宙線シールド Solar Radiation Shield
課題
太陽フレアによって発生する電磁波と粒子は、地球と生命、そして、人工衛星、宇宙船、宇宙ステーションなどの宇宙機にさまざまな影響を及ぼす。
地球と地球の生命は、地磁気と大気によってこれらから守られているが、太陽フレアの規模によっては、地球に到来する電磁波と粒子の増加により、地磁気嵐や太陽宇宙線の増加などによるさまざまな被害を受ける。
宇宙機は、太陽宇宙線に加えて、銀河宇宙線や放射線帯捕捉粒子などの宇宙線に対する対策を講じているが、太陽フレアの規模によっては、増加した電磁波や粒子によって、機器が故障したり、太陽電池やアンテナが損傷したり、搭乗する人間がより多くの放射線を浴びるなどの問題があった。
Issue
Electromagnetic waves and particles emitted by solar flare have various influences on the Earth and life, and spacecrafts such as artificial satellite, spaceship, space station, and others.
The Earth and it's life are protected by the geomagnetism and the atmosphere of the Earth from/against these electromagnetic waves and particles, but in proportion to the scale of solar flare, the Earth and it's life suffer various damages by the increase of geomagnetic storms and solar cosmic rays caused by the increase of electromagnetic waves and particles which arrive at the Earth.
Adding to solar cosmic rays, spacecrafts take counter measures to space radiation such as galactic cosmic rays, radiation belt particles, but in proportion to the scale of solar flare, there is problem that spacecraft's equipments are broken, or solar cell paddles or anntenas are broken, or humans on board of spacecrafts are exposed to more radioactive rays by the increase of electromagnetic waves and particles.
対策
太陽フレアによって発生する電磁波と粒子を遮蔽する太陽宇宙線シールドによって、地球などの天体と宇宙機に到達する電磁波と粒子を減らして、生命と地球などの天体と宇宙機を守る。
Measure
By using solar radiation shield which blocks electromagnetic waves and particles emitted by solar flare, we can decrease electromagnetic waves and particles which arrive at cerestial bodies such as the Earth and spacecrafts, and we can guard life and cerestial bodies such as the Earth and spacecrafts.
シールドの構造
structure of solar radiation shild
遮蔽材
shield material
水素原子を多く含む物質（水、ポリエチレン、高分子化合物、複合材料など）、鉛、タングステンなど
substance which contains many hydrogen atoms(water, polyethylene, high polymer compound, composite material, etc.), lead, tungsten, etc.
遮蔽材の支持枠、外殻、ケース
support frame, shell, case of shield material
アルミニウムとその合金、鉄とその合金、チタンとその合金、FRPなど
aluminum and it's alloy, iron and it's alloy, titanium and it's alloy, FRP, etc.
遮蔽材の材質・質量・厚さと遮蔽性能の予測
228MeVのプロトン（陽子線）を遮蔽するシールドの厚さ（1平方センチあたりの質量）
アルミニウム 約40g/cm2
PP C（ポリプロピレン/炭素 複合材料） 約32.5g/cm2
PP SiC20 （ポリプロピレン/シリコンカーバイド 複合材料） 約33g/cm2
PP SiC40 （ポリプロピレン/シリコンカーバイド 複合材料）約32.5g/cm2
PE SiC （ポリエチレン/シリコンカーバイド 複合材料）約32g/cm2
ポリエチレン 約28g/cm2
参考文献
M. Naito, et al. ‘Applicability of composite materials for space radiation shielding of spacecraft’, Life Sciences in Space Research, Volume 31, November 2021, Elsevier Ltd, pp. 71-79,
https://doi.org/10.1016/j.lssr.2021.08.004.
(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214552421000614)
アルミニウムの密度 2.70 g/cm3
より
アルミニウム (約40g/cm2, 約400kg/m2)
の厚さは約15cm
PP Cの密度 1.17g/cm3
より
PP C(約32.5g/cm2, 約325kg/m2)
の厚さは約28cm
PP SiC20の密度 1.36g/cm3
より
PP SiC20(約33g/cm2, 約330kg/m2)
の厚さは約24cm
PP SiC40の密度 1.81g/cm3
より
PP SiC40(約32.5g/cm2, 約325kg/m2)
の厚さは約18cm
PE SiCの密度 1.36g/cm3
より
PE SiC(約32g/cm2, 約320kg/m2)
の厚さは約24cm
ポリエチレンの密度 0.94 g/cm3
より
ポリエチレン (約28g/cm2, 約280kg/m2)
の厚さは約30cm
月面滞在時の宇宙飛行士の被曝線量の推定
遮蔽なし
通常 0.71mSv/day
太陽フレア(worst day) 2700mSv/day
遮蔽10g/cm2(アルミニウム)
通常 0.55mSv/day
太陽フレア(worst day) 36mSv/day
参考文献
五家 建夫, 古賀 清一, 松本 晴久, 込山 立人, 保田 浩志, 「宇宙環境における放射線」, 保健物理, 2011 年 46 巻 1 号 p. 31-41
DOI https://doi.org/10.5453/jhps.46.31
遮蔽材がアルミニウムの場合（推計）
約10g/cm2, 約100kg/m2
厚さは約3.7cm
遮蔽材がPP Cの場合（推計）
約8.1g/cm2, 約81kg/m2
厚さは約7.0cm
遮蔽材がPP SiC20の場合（推計）
約8.3g/cm2, 約83kg/m2
厚さは約6.1cm
遮蔽材がPP SiC40の場合（推計）
約8.1g/cm2, 約81kg/m2
厚さは約4.5cm
遮蔽材がPE SiCの場合（推計）
約8.0g/cm2, 約80kg/m2
厚さは約5.9cm
遮蔽材がポリエチレンの場合（推計）
約7.0g/cm2, 約70kg/m2
厚さは約7.5cm
符号の説明
1 太陽宇宙線シールド
2 電磁波
3 粒子
4 宇宙機
5 支持枠
6 太陽
7 モータ
8 支柱
9 太陽電池
10 太陽電池付太陽宇宙線シールド
11 構体
12 太陽からの輻射
13 回転台座
14 回転機構
15 レーザー光
16 ローンチシステム
17 姿勢・軌道制御装置
18 姿勢・軌道制御装置の推力
19 マイクロ波
20 アンテナ
21 アンテナ付太陽宇宙線シールド
22 直流／交流コンバータ
23 送電線
24 太陽光発電衛星
25 太陽光発電及び太陽宇宙線シールド衛星
26 太陽宇宙線シールド衛星
27 電源
28 蓄電池
29 天体
30 電磁波または粒子の発生源
explanation of figure's sign
1 solar radiation shield
2 electromagnetic wave
3 particle
4 spacecraft
5 support frame
6 sun
7 motor
8 support
9 solar cell
10 solar radiation shield with solar cell
11 structure
12 sunbeam
13 turntable
14 rotary mechanism
15 laser beam
16 launch system
17 attitude and orbit control system
18 thrust of attitude and orbit control system
19 microwave
20 antenna
21 solar radiation shield with antenna
22 DC/AC converter
23 power line
24 solar power satellite
25 solar power and solar radiation shield satellite
26 solar radiation shield satellite
27 power supply device
28 storage battery
29 celestial body
30 source of electromagnetic wave or particle
シールドの類型・防御対象・適用方法
types, objects to guard, ways of application of shields
宇宙機防御用宇宙機取付型
shield for guarding a spacecraft, installed in the spacecraft
回転
rotary type shield
太陽光発電パネル付
shield with solar cell
全周囲・全方向遮蔽
shielding in all directions
スタンドアローン型
stand-alone type
宇宙機防御用
shield for guarding a spacecraft
回転
rotary type shield
アンテナ付
shield with antenna
太陽光発電パネル付
shield with solar cell
天体防御用
shield for guarding a celestial body
回転
rotary type shield
太陽光発電パネル付
shield with solar cell
アンテナ付
shield with antenna
効果
effects
太陽フレアによる被害防止
prevention from damages by solar flare
太陽による過熱防止
prevention overheating by the sun
宇宙機の耐用年数向上と維持コスト減少による費用対効果向上
improvement of cost-effectiveness of the spacecraft by the improvement of a life of the spacecraft and the decline of maintenance cost of the spacecraft
宇宙機・有人宇宙機の長距離・長時間航行
long-distance or long-time flight by spacecraft or manned spacecraft
宇宙線による被曝量減少
decrease of the amount of radiation exposure by cosmic rays
有人宇宙活動の長期化・持続可能化・恒久化
manned space activity will be more long-term, sustainable, and permanent
宇宙旅行の一般化
generalization of space travels
デメリット
demerits
宇宙機取付型
shield installed in the spacecraft
（シールドを取付けない宇宙機と比較して）
宇宙機の質量増加
increase of the mass of the spacecraft (compaired with spacecrafts without shields)
宇宙機の体積増加によるローンチシステム搭載時の必要容積増加
increase of the capacity of paylord space of the launch system by the increase of volume of the spacecraft
宇宙機の製造に必要なコスト・エネルギー・資源・時間の増加
increase of necessary cost, energy, resources, time for production of the spacecraft
スタンドアローン型
stand-alone type
（宇宙機取付型と比較して）
打ち上げコスト上昇
increase of the cost of launch
(compaired with the shield installed in the spacecraft)
太陽フレア発生時に宇宙機との高精度のランデブー軌道・姿勢維持のためのエネルギー・推進剤が必要
When solar flare occur, Energy and propellant for keeping high-accuracy rendezvous orbit and attitude with spacecraft will be needed
参考文献
References
M. Naito, et al. ‘Applicability of composite materials for space radiation shielding of spacecraft’, Life Sciences in Space Research, Volume 31, November 2021, Elsevier Ltd, pp. 71-79,
https://doi.org/10.1016/j.lssr.2021.08.004.
(https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214552421000614)
五家 建夫, 古賀 清一, 松本 晴久, 込山 立人, 保田 浩志, 「宇宙環境における放射線」, 保健物理, 2011 年 46 巻 1 号 p. 31-41
DOI https://doi.org/10.5453/jhps.46.31
アーサー・Ｃ・クラーク＆スティーブン・バクスター著、「太陽の盾 タイム・オデッセイ２」、早川書房、2008年発行、p.135, 142, 143, 152-154, 156, 166, 167, 213, 230-232, 254-258, 262-264, 301-304
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