宇宙服なしで宇宙に行くとどうなる：人体模型で変化を追う

本当に体が破裂するのでしょうか？

映画では、エアロックが開くと、外に取り残された人が数秒で膨らみ、凍りつき、あるいは破裂します。記録が伝えるのは、もっと静かな経過です。1965年、ヒューストンにある NASA の有人宇宙船センターで、真空チャンバー内にいた被験者の宇宙服に漏れが生じました。意識は約 14 秒間続き、最後に覚えていたのは、舌の上の水分が沸騰し始めた感覚でした。チャンバーの圧力が戻され、被験者は回復しました。

この展示は、そのような環境にさらされてからの最初の 120 秒を、体の模式図で 1 秒ずつ追います。人の形には顔がなく、皮膚が透けているため、重要な部位である肺、気道、舌、脳、心臓、血管、腸、皮膚の下の組織層を観察できます。高度スライダーでは、旅客機の客室からエベレストの山頂、体内の水分が沸騰し始めるアームストロング限界まで、より低い高度で同じ 2 分間を試せます。

この展示は NASA、米国空軍、FAA の報告を使い、物理学と生理学の一般的な仕組みを説明します。医学的な助言ではなく、特定の個人がどこまで生存できるかを示す指針でもありません。

2 分間に起きることを順番に

画面の最初では、人は国際宇宙ステーションが維持しているのと同じ、101.325 kPa、酸素 21 %の通常の海面高度の空気を呼吸しています。その後、外の圧力が、選択した高度の値までほぼ一瞬で下がります。真空に近い環境での経過は、報告によるとおおよそ次のようになります。

1. 0〜1 s。肺の中の空気が、開いた気道を通って一気に外へ流れます。息を止めていると、代わりに肺が引き伸ばされます。
2. 1〜5 s。唾液、涙、その他の表面の水分が沸騰し始めます。口と鼻の皮膚が冷え始めます。
3. 約 9〜11 s。脳に届く血液が、空になった肺に酸素を奪われているため、有効意識時間が終わります。
4. 5〜45 s。皮膚の下の組織と静脈の中に水蒸気が生じます。体と手足が膨らみ、通常の体積の 2 倍になる可能性もあります。
5. 約 60 s 以内。静脈圧が動脈圧に達するまで上がり、血液の循環が止まります。心拍は急激に遅くなります。
6. 約 90 s。NASA が計画に使う限界です。これより前に圧力を戻された動物は、通常、回復しました。

模型の下の時間軸には、選んだ高度に応じたこれらの出来事が、15 s ごとの目盛りとともに表示されます。海面高度では何も表示されず、旅客機の巡航高度では酸素不足だけが表示されます。

息を止めずに吐き出す

最初の 1 秒で最も危険なのは、深く息を吸い込んで止めることです。満杯の肺に閉じ込められた空気は、外の圧力がほとんどなくなっても圧力を保ちます。肺の壁は薄く、それだけでは大きな圧力差に耐えられません。

航空宇宙環境への人体の反応をまとめた NASA の資料集（Roth、1968年）は、肺の内外の圧力差の限界を約 80 mmHg、つまり 10.7 kPa としています。それを超えると、実験でも人の事故でも、肺組織が裂けています。

10.7 kPa はどれほど小さいのでしょうか。海面高度から 928 m までの気圧の低下にほぼ相当します。スキューバダイバーも同じ理由で、浮上中は決して息を止めないという原則を教わります。操作パネルの息を止めるをオンにすると、画面の肺が引き伸ばされて赤く点滅し、数値欄に肺の内外の圧力差が表示されます。真空中では 100 kPa を超え、裂ける限界の 10 倍になります。

気道が開いていれば、空気はそのまま外へ出ます。画面では、最初の 1 秒で口と鼻から空気が噴き出し、肺が少し縮む様子が示されます。空気が抜けること自体には害がありません。その後の問題は酸素に関するもので、肺の破裂ではありません。

同じ法則であるボイルの法則は、体内のほかのすべてのガスのたまりで起きることも説明します。温度が一定なら、ガスの体積と圧力の積は一定なので、何も抑えるものがなければ、海面高度のガスはエベレストでは 3.2 倍、アームストロング限界では 16 倍に膨らみます。中耳、副鼻腔、腸には、いずれも多少のガスがあります。その大部分は出口を見つけるか、周りの組織に抑えられます。痛みを生じることはありますが、生存を左右するのはこれではありません。

唾液は沸騰するのに血液はしない理由

水は、その蒸気圧、つまり液体から逃げ出す分子が押す圧力が、上からかかる圧力と等しくなると沸騰します。海面高度では、それが 100 °C で起こります。圧力を下げると水はより低い温度で沸騰するため、山ではパスタをゆでるのに時間がかかります。

6.3 kPa（47 mmHg）では、水は体温である 37 °C で沸騰します。この圧力をアームストロング限界と呼びます。標準大気では約 19 km、または 63,000 ft でこの値に達します。それより高い所では、熱を加えなくても体の表面の水分が沸騰します。1965年の被験者が舌で感じたのは、これでした。

動脈の血液は事情が違います。外に直接さらされてはいません。心臓が外気より十分高い圧力で押し出し、血管の壁とその周りの組織がその圧力を保ちます。そのため、動脈血がすぐに沸騰することはありません。代わりに起きるのは、もっと遅い変化で、圧力が最も低い場所、つまり皮膚の下の組織と心臓に近い太い静脈で起こります。

沸点を自分で計算する

画面では、測定された蒸気圧に当てはめたアントワン式を使って沸点を計算しています。

log10(P / bar) = A − B / (T + C)

ここで T はケルビンで表した温度、A、B、C は NIST Chemistry WebBook に掲載された水の定数です。模型は 255.9〜373 K の水について、NIST の 4 組のデータを使います。体温では T = 310.15 K で、304〜333 K の組から A = 5.20389、B = 1733.926、C = −39.485 が得られます。

log10(P) = 5.20389 − 1733.926 / (310.15 − 39.485) = 5.20389 − 6.40616 = −1.20227

したがって P = 0.0628 bar = 6.28 kPa となり、アームストロング限界に相当します。ある圧力での沸点を求めるには、同じ式を変形します。T = B / (A − log10 P) − C です。

各高度の圧力は U.S. Standard Atmosphere 1976 に基づきます。この資料は、大気を所定の温度分布を持つ層の連なりとして記述しています。11 km までは高度が 1 キロメートル上がるごとに温度が 6.5 K 下がり、11〜20 km では−56.5 °C のままです。両者を組み合わせると、数値欄に表示される次の沸点が得られます。

水の三重点である 0.61 kPa を下回ると、どの温度でも液体の水は存在できません。沸騰と凍結が同時に起こり、数値欄にもそう表示されます。数値欄の小さなグラフは、曲線全体を対数目盛りで描き、体温を示す線と、選んだ圧力を示すオレンジ色の点を表示します。

酸素がもつのは約 10 秒

通常、肺は血液に酸素を加えます。真空中ではその逆になります。肺に酸素がないため、血液が肺を通る間に酸素が抜けてしまい、数秒後に脳に届く血液には、体を出たときよりもさらに少ない酸素しかありません。脳に蓄えられているのは数秒分だけです。

NASA の Bioastronautics Data Book（1973年）は、ある程度の意識が 9〜11 秒間続くと見込み、突然さらされた人が自分を助けるために使える時間は、おそらく長くても 5〜10 秒としています。2 mmHg 未満に減圧された犬は、9〜10 秒後に倒れました。1965年の被験者の 14 秒という記録も、宇宙服の中が完全な真空にはおそらく達していなかったことを考えれば、矛盾しません。

より低い高度では時間が長くなり、FAA はそれを「有効意識時間」として公表しています。これはパイロットが適切に行動できる時間であり、意識消失までの時間ではありません。

画面は突然の圧力低下から始まるため、模型は急減圧の列を使い、アームストロング限界以上では真空に近い環境の 9〜11 s という値を使います。表の行と行の間は滑らかな曲線で結んでいます。時間軸のオレンジ色の帯がこの範囲で、帯の始まりに達すると意識の行が赤くなります。

破裂ではなく膨張

アームストロング限界より低い圧力では、体の組織の水分が蒸気になり始めます。この過程を沸騰（エブリズム）と呼びます。それを抑える圧力が最も小さい場所、つまり皮膚の下の疎な組織と太い静脈の血液から始まります。Bioastronautics Data Book は、与圧服が抑えなければ、体が著しく膨らみ、通常の体積の 2 倍になる可能性もあると記しています。

体は破裂しません。皮膚は丈夫で弾力があり、蒸気はその下にとどまります。犬の実験では、圧力が約 50 mmHg を超えた途端、膨張が大幅に収まりました。また、このデータブックは、体にぴったり合う弾性のある衣服が、15 mmHg という低い圧力でも沸騰（エブリズム）を完全に防いだと報告しています。普通のきつい衣服でも、多少は押し返します。

画面では皮膚が表面に沿って外へ動き、特に腕、脚、手、足で大きく動きます。その下の組織層の動きは小さいため、両者の隙間が膨張を表します。皮膚を切り開くをオンにするとその隙間が見え、気泡をオンにすると蒸気が小さな球として表示されます。手を独立した部位にしているのは、実際のある事例があるためです。1960年、Joe Kittinger は開放型の気球ゴンドラで 102,800 ft まで上昇しました。上昇中に右手の与圧手袋が故障し、手は膨らんで痛み、使えなくなりました。それでも跳躍を行い、低い高度に戻ると手は正常に戻りました。

循環が止まるとき

長くさらされると命にかかわる原因は、太い静脈に生じる蒸気です。Roth の資料集には、大静脈が心臓に入る場所で気泡が生まれ、静脈を逆向きに広がり、心臓への血液の戻りを止める「血管のベーパーロック」が記されています。心臓には送り出すものがなくなります。

データブックには時間経過も示されています。心拍数は最初に上がることがありますが、その後急速に下がり、動脈圧は 30〜60 秒かけて低下し、約 1 分以内に静脈圧が動脈圧に達するか上回ります。その後は、実効的な循環はほぼなくなります。2 mmHg で 90 秒間保たれた犬では、心拍数が通常の毎分 159 回から毎分 10 回まで下がりました。

模型では、最初の 5 s は心拍数が上がり、その後下がる様子と、5〜60 s の間に循環が衰える様子を描いています。これらの曲線は報告された時点を通る滑らかな線であり、人を測定した結果ではありません。

どれくらい生存できるのでしょうか？

人で意図的に試した例はないため、数値は動物と事故から得られています。1964年、米国空軍航空宇宙医学学校では、126 頭の犬を 2 mmHg 未満まで減圧し、その圧力に 5〜180 秒間さらしました。120 秒未満さらされた犬は、肺損傷の兆候があったにもかかわらず、圧力を戻した後、すべて生存しました。120〜180 秒の曝露では、死亡率は約 15 %から 80 %超に及びました。1965年に NASA のために試験されたチンパンジーは、2 mmHg 未満に 5〜150 秒間保たれました。すべて 4 時間以内に訓練された課題に復帰し、検査で脳損傷は見つかりませんでした。

これらの研究から、NASA のデータブックは、60〜90 秒以内の再加圧によって生存し、かなり速く回復する可能性もあると結論づけていますが、保証はありません。数秒以内に死亡した動物や、後遺障害が残った少数の動物もいました。Roth の資料集は、緊急手順を計画する際の最大生存時間を 90 秒とするよう勧めています。画面の今、圧力が戻ったらの行は、この区分に従います。これは動物で見られた結果を述べるもので、個人の予測ではありません。

完全な真空に十分な時間さらされた実際の事例は、ソユーズ11号です。1971年6月、大気圏のはるか上空で帰還モジュールが分離した際、衝撃で圧力平衡弁が開きました。客室の空気は 1 分足らずで抜けました。与圧服を着ていなかった 3 人の宇宙飛行士は意識を失い、2 分以内に死亡しました。カプセルは自動で着陸し、回収隊は座席に座ったままの 3 人を発見しました。

宇宙ですぐ凍えるわけではない

真空には空気がないため、伝導や対流で熱を運び去るものがありません。熱が出ていく唯一の経路は放射で、温かい物体がすべて放つ赤外線です。皮膚温 33 °C、放射率 0.97、開けた宇宙に面する皮膚が約 1.5 m² なら、ステファン・ボルツマンの法則から次の値が得られます。

P = 0.97 × 5.67 × 10⁻⁸ × 1.5 × 306.15⁴ ≈ 725 W

70 kg の体は、温度 1 度あたり約 243 kJ の熱を蓄えています。725 W では、深部体温は 2 分間で約 0.36 °C 下がります。この方法で 1 度下がるには 5 分以上かかります。宇宙の日陰に 2 分間取り残されても、人は凍りつきません。

実際に冷える部位は口と鼻です。気道からは水が蒸発し続け、蒸発は熱を奪います。データブックによれば、それによって口と鼻は凝固点近くまで冷えますが、体のほかの部分ははるかにゆっくり冷えます。口と鼻の行は、この低下を示します。

日光は熱の収支を変えます。地球の距離では、太陽から 1,361 W/m² が届きます。体の半平方メートルが太陽に面して 60 %を吸収すると、入ってくる熱は約 408 W となり、正味の損失は約 316 W に下がります。日光をオフにすると、深部体温が少し速く下がる様子が見えます。

与圧服で何が変わるか

宇宙服は、基本的には体の周りの圧力を保つ風船のようなものです。海面高度の圧力は必要ありません。ガスが純酸素なら、全圧がずっと低くても肺に十分な酸素を供給できます。NASA が挙げる圧力は、アポロの宇宙服が 25.8 kPa、ステーションの宇宙服が 29.6 kPa（4.3 psi）、ロシアのオーランが 39.2 kPa で、すべて酸素 100 %です。これはアームストロング限界より十分高いため、体内の水分は沸騰しません。興味深いことに、4.3 psi は高度 30,000 ft の飛行機の外の気圧にもほぼ相当します。

宇宙服の圧力が低いほど、特に手袋が曲げやすくなりますが、別の問題が生じます。101 kPa のステーションの空気から 29.6 kPa の宇宙服に移ると、体内に溶けた窒素が気泡を作ります。ダイバーがかかるのと同じ減圧症です。そのため宇宙飛行士は、先に純酸素を呼吸して窒素を洗い出します。ステーションのある手順では、最初に酸素を吸ってから船外活動まで 2 時間 20 分かかります。

与圧服をオンにすると、時間軸全体は静かなままです。膨張も沸騰もなく、肺と酸素も正常です。

宇宙より低い所で

こうした影響の一部は、宇宙まで行かなくても生じます。高度スライダーと時間軸の上のボタンを使えば、ほかの場所でも同じ 2 分間を試せます。

• 旅客機の客室。米国の規則は、通常飛行中の与圧客室を、気圧高度 8,000 ft 以下に保つよう求めています。約 75 kPa に相当し、時間軸では何も起こりません。
• エベレスト。標準大気で約 31 kPa です。水は約 70 °C で沸騰し、体内では何も沸騰せず、有効意識時間は何分もあるため、2 分間の時間軸には何も表示されません。それでも登山者は、数時間、数日にわたって低酸素の影響を受けます。
• 巡航中の旅客機。35,000 ft で客室の圧力が突然失われると、有効意識時間は 15〜30 s になります。そのため酸素マスクが降りてきます。米国の規則は、12,500 ft を超える高度で 30 分を超える場合は乗員に、15,000 ft を超える場合は搭乗者全員に酸素を求めています。
• アームストロング限界。約 19 km です。これより上では、短時間の曝露でも与圧服が必要です。

これを無視した結果は、1999年のリアジェット35、登録記号 N47BA の事故に明らかです。39,000 ft への上昇を許可された後、無線交信が途絶えました。NTSB は、客室の与圧が失われ、乗員が補助酸素を受け取れなかったため、行動不能になったと判断しました。機体は燃料が尽きるまで飛び続け、サウスダコタ州に墜落しました。

試せる事例

画面の下の一覧には 33 の事例があります。各カードの模型で表示を押すと、模型がその圧力と時間に設定されます。秒単位の時間があるカードには、共通の 0〜150 s 目盛りの棒が付いているため、比較できます。5 種類に分類されています。

• 事故。1965年のチャンバー試験、Kittinger の手、ソユーズ11号、1999年のリアジェット。
• 試験。犬とチンパンジーの研究、肺の 80 mmHg の限界、弾性のある衣服、90 s 以内の再加圧。
• 規則。FAA の有効意識時間、酸素と客室の規則、宇宙服の圧力と事前呼吸。
• 高度。エベレスト、アームストロング限界、記録的な気球からの跳躍、火星表面、遮られない日光。
• 映画。おおむね正しい場面とそうでない場面を、それぞれ記録と比較します。

火星表面は、比較に役立ちます。平均気圧は 6.36 mbar、つまり 0.64 kPa で、地球の高度 35 km 付近の空気とほぼ同じです。保護されていない体にとっては真空に近いため、火星の宇宙服も完全な与圧服でなければなりません。

模型で省いていること

• 人の形は模式図であって、人そのものではありません。形は滑らかなカプセルから作られ、臓器はおおよそ正しい場所に置いた単純な形です。
• 動脈は酸素が減るにつれて赤から紫へ変わるように描き、静脈は常に青です。実際の酸素の少ない血液は暗赤色です。
• 酸素、心拍数、循環、膨張、口の温度の曲線は、報告された時点を通る滑らかな線です。画面では模型の値と表示しています。
• この状況は、海面高度の圧力から突然下がることを想定しています。ゆっくりした漏れなら時間は長くなり、事前に純酸素を呼吸していた人なら、脱窒素された犬と同様に、さらに数秒長くなります。
• 実際の人には個人差があります。FAA は、有効意識時間が肺の大きさ、ヘモグロビン、体が使う酸素量によって大きく変わると述べています。
• 高度は1976年の標準大気における幾何高度です。ある場所の実際の圧力は、天候、季節、緯度によっても変わります。
• 熱の数値は放射だけを使っています。皮膚や気道からの蒸発があれば、表面はさらに速く冷えます。

短い歴史

与圧服は、宇宙飛行で必要になる前に、高高度飛行から生まれました。Joe Kittinger が1960年に開放型ゴンドラで 102,800 ft まで気球で上昇したのも、一部はその試験であり、与圧されなかった手は、与圧服なしで何が起こるかを示す最も有名な例になりました。

1960年代初め、宇宙船や大きな真空チャンバーの建設が進む中で、NASA の有人宇宙船センターは、宇宙服が故障したらどうなるかを調べる動物研究に資金を出しました。Bancroft と Dunn は1963年と1964年に 126 頭の犬を減圧し、ホロマン空軍基地の Koestler のチームはチンパンジーを試験して、1965年11月に報告しました。結果は Bioastronautics Data Book と Roth の資料集に収録され、現在も引用される、有効意識時間約 10 秒、救助計画では約 90 秒という数値を定めました。

それ以来、人の事例の大部分は、1965年のチャンバー試験のように、無事に終わった事故でした。1971年のソユーズ11号は、今も宇宙そのもので人が死亡した唯一の事例です。