宇宙での実験を手伝ってくれるのは誰ですか?科学グローブボックスの解読

文天実験モジュールの打ち上げ成功と天河コアモジュールとのドッキング成功により、多くの科学実験キャビネットが天宮宇宙ステーションに持ち込まれ、宇宙実験を実施し、大規模で長期にわたる有人宇宙利用の問題を解決しました。これらの実験キャビネットには、可視性、測定性、制御性、高精度、交換性を備えた科学用グローブ ボックスが装備されています。

科学用グローブボックスの概略図

このグローブボックスは何に使うのですか？宇宙科学研究にどのように役立つのでしょうか?タスクフォースの関係専門家が皆様に説明させていただきます。

すべての手袋が飛行に適しているわけではない

グローブボックスという名前は、最初は少し奇妙に聞こえます。大きなワードローブは衣服を収納するのに使われますが、グローブボックスは手袋を収納するのに使われますか?宇宙飛行士は宇宙ステーションでたくさんの手袋をどうするのでしょうか?

ウェンティアン実験室の各実験キャビネットには、独創的に設計および製造されたさまざまな実験モジュールが装備されています。実験中に手で直接触れると、実験器具が汚染されるだけでなく、実験パラメータが変化し、実験の科学性が損なわれる可能性があります。

したがって、実験モジュールは宇宙ステーション内の空気から隔離されなければなりません。実験モジュールを隔離するために使用される装置は、グローブ ボックスと呼ばれます。宇宙飛行士がグローブボックス内で操作を行うために、グローブボックスには 4 つの特別な手袋が取り付けられています。箱の視覚窓と検出装置により、宇宙飛行士は箱内の状態の変化を確認でき、実験をサポートするデータが得られます。

確かにグローブボックスには手袋が入っていますが、それは私たちが普段触れる普通の手袋ではありません。この天国のような手袋の何がそんなに特別なのでしょうか?

まず第一に、航空宇宙で使用されるすべての材料には難燃性に関して非常に高い要件があるため、手袋の製造に使用される材料も非常に難燃性でなければなりません。私たちが日常生活で目にする手袋は、綿、麻、化学繊維のいずれで作られていても、非常に燃えやすいものです。このルールにより、候補となる手袋のほとんどが排除されます。さらに、通常の科学実験の条件下では、宇宙飛行士は直接手で操作することは許可されていないため、手袋の高い触覚が求められます。運用の柔軟性も考慮すべき要素であるため、不燃性の金属材料は基本的に問題外です。最後に、金属材料と非金属材料の両方がカビの成長を抑制する強力な能力を持っている必要があります。そうでないと、グローブボックスが汚染され、実験が失敗します。したがって、上記 3 つの条件を完全に満たす手袋素材の開発には、多大な労力と時間が必要です。

科学用グローブボックスの概略図

さらに、グローブボックスには特別なクイックチェンジグローブ機能が備わっており、宇宙飛行士はグローブを交換する際にグローブボックスの内側と外側を隔離した状態に保つことができ、双方向の汚染を防ぐことができます。

グローブボックス内のロボットアーム：手が震える人にとって朗報

グローブボックスには、軌道上で高精度の科学的操作を実行できる器用なロボットアームも装備されています。これは、我が国の宇宙生物学、生命科学、航空宇宙医学のための宇宙横断科学実験プラットフォームであり、科学実験のための閉鎖されたクリーンな操作空間を提供することができます。このロボットアームは 0.5 mm の動作精度を実現できるので、手が震える人にとっては本当に朗報です。このようなロボットアームがあれば、宇宙飛行士は実験作業をより正確に完了することができます。

グローブボックス内のロボットアームの概略図

上の写真はロボットアームの完成形ではありません。グローブボックスには、細胞核の抽出や注入など、非常に繊細な操作を実行できるマイクロマニピュレーションシステムも装備されています。このシステムは、人間の髪の毛の直径の10分の1にあたる5ミクロンの動作精度を達成できます。

ロボットアームは宇宙飛行士の腕の延長です。宇宙飛行士が実験装置に触れないようにしながら、宇宙飛行士の手の代わりに実験操作を実行します。培養皿の取り出しやセットなど、ボックス内でのバッチ処理が可能です。マイクロインジェクションなどの軌道上細胞関連研究を実施する。紫外線を照射してグローブボックスを殺菌し、徹底した全自動洗浄を実現します。

「手」は空に届く、そして「目」も空に届かなければならない

グローブボックスには多数のセンサーがあり、グローブボックス内のさまざまな部分の電圧信号、電流信号、温度、湿度、光、風速などの情報をリアルタイムで記録し、グローブボックスや実験装置の動作状態を反映します。

センサーの概略図

この情報を解釈することは宇宙飛行士の専門知識を超えており、作業時間を奪う可能性があります。したがって、グローブボックス上のすべてのセンサー情報はリアルタイムで地上の研究所に送信され、地上の科学者がそれを解釈して調整する責任を負います。地上から指示を出してグローブボックスのパラメータを直接制御することもできます。

つまり、宇宙飛行士だけでなく、地上の科学者もグローブボックスをリアルタイムで「見て」、さまざまなセンサー信号を通じてその動作状態を把握できるのです。彼らは家を離れることなく宇宙ステーションで科学実験を行うことができます。グローブ ボックスのさまざまな調整機能は、科学実験に必要なさまざまなパラメータにも完全に対応できます。温度、湿度、光などをすべて細かく調整できるため、グローブボックスは真にオープンで自由な科学実験プラットフォームになります。

お疲れ様でした！

科学用グローブボックスは、宇宙飛行士や科学者の「手」と「目」であり、科学実験の完了、実験モジュールの汚染防止、極めて高い精度での繊細な操作の実行に役立ちます。グローブボックスの設計と製造を完了するために、中国科学院瀋陽オートメーション研究所の担当チームは、2015年に長く困難な研究開発を開始しました。休日の残業はチームにとって当たり前のこととなり、一度に50時間以上連続して働くこともありました。しかし、困難を理由に誰も引き下がらなかった。なぜなら、誰もが「こんなに多くの人がこのために大変な苦労をしてきたのだから、私たちの手で失敗させるわけにはいかない！」と考えたからだ。

航空宇宙研究者が働く様子の写真

おそらく、これは航空宇宙の精神を最もシンプルに表したものでしょう。このシリーズの最後に、我が国の科学技術の急速な発展に驚嘆するとともに、航空宇宙分野で国に奉仕する最前線で黙々と戦っている科学者たちにも最大限の敬意を表したいと思います。

この記事は、中国科学院瀋陽自動化研究所の劉暁源教授へのインタビューに基づいて牟富鵬が執筆したものです。

この記事はサイエンスアカデミーに初めて掲載されました。