電力・水・CO2をどう切り詰めたのか｜アポロ13号を生かした即席の生命維持策

Aquariusを救命艇として使う。

1970年4月13日、Apollo 13の乗員とMission Controlは、事故から数時間でその方針へたどり着いた。

しかし、それは「安全な宇宙船へ避難できた」という意味ではない。

月着陸船Aquariusは、本来2人が月面着陸のために短期間使用する宇宙船だった。

そこへ3人が移り、地球へ戻るまで約4日間使う。

酸素は足りる。

では電力は。

水は。

そして、3人が吐き続ける二酸化炭素を取り除く装置は。

一つでも先に尽きれば、帰還軌道に乗っていても意味がない。

Apollo 13の後半戦は、残された資源を「何時間使えるか」に変換し、地球再突入時刻より後まで寿命を伸ばす作業だった。

その途中では、宇宙船内に十分なCO2吸収材が残っているにもかかわらず、形が違うため使えないという問題まで起きる。

今回はAquariusの電力、水、二酸化炭素除去を、残量と消費率から追っていく。

Aquariusで最初に計算されたのは「いつまで持つか」だった

事故後、Mission ControlがAquariusを救命艇として使う方針を決めると、各システム担当者は残量と消費率の計算を始めた。

必要なのは「まだ電池があります」「まだ水があります」という確認ではない。

現在の使用量なら何時何分まで持つのか。

そして、その時刻は予定される地球帰還より後なのか。

宇宙船の消耗品は、すべて時間へ変換して考えなければならなかった。

計算の結果、酸素については比較的余裕があることが分かった。

問題になったのは、主として電力・水・二酸化炭素除去能力だった。

電力｜最初の使用率では地球まで持たない

Aquariusの電力源はバッテリーである。

Command and Service Moduleが持っていた燃料電池とは異なり、消費した分を新しく発電することはできない。

残量は減る一方だった。

Aquariusへの移行直後には、誘導装置、通信、生命維持装置など多数の機器が必要だった。

NASAのMission Operations Reportでは、事故後早い段階でLMの消費電流が約35Aの状態にあり、このままでは電力寿命は飛行時間127時間付近までと見積もられていた。

予定されていた帰還は140時間を超える。

そのままでは足りない。

Mission Controlは、必要な機器と不要な機器を一つずつ分けた。

必要なのは、

• 生命維持
• 最低限の通信
• 必要時の誘導
• 必要時の姿勢制御

など。

常時使う必要のない装置は停止する。

送信機の出力も必要に応じて落とす。

ヒーター類も停止する。

誘導・航法装置も、必要な時間帯以外は可能な限り低電力状態に置く。

その結果、NASAの記録では82時間30分ごろには、LMの平均電流を約12.5Aまで低下させることができた。

初期の約35Aから考えると、およそ3分の1である。

この節電によって、Aquariusの電力寿命は地球帰還より後まで伸びていった。

「全部OFF」にすればいいわけではない

節電と聞くと、使わない機器をすべてOFFにすればよいように見える。

実際には、そこにも限界がある。

宇宙船はただ漂っていればよい物体ではない。

地球との通信が必要。

船内の空気を循環させなければならない。

CO2を除去しなければならない。

必要な時刻にはエンジンを噴射し、そのために姿勢と航法を確認しなければならない。

さらに電力を使う機器の一部は、熱源でもある。

電力を削れば削るほど、宇宙船内部で発生する熱も減る。

その結果、Aquariusの内部は次第に冷えていった。

NASAの資料では、低電力状態が続いた船内は40°F前後、摂氏数度程度まで冷えたと記録されている。

通常なら快適性のために使用するヒーターへ電力を回す余裕はない。

乗員は冷えた船内で帰還を待つことになる。

節電すると、水も節約できた

電力を減らすことには、もう一つ効果があった。

冷却水の消費も減った。

Aquariusの電子機器は作動すると熱を発生する。

その熱は、環境制御システムを通して宇宙船外へ捨てなければならない。

Apollo Lunar Moduleでは、この熱処理に水を使用する。

したがって、電力を大量に使えば、

消費電力増加 → 発熱増加 → 冷却水消費増加

となる。

反対に低電力化すれば、発生する熱が減り、水の消費量も下がる。

Mission Operations Reportでは、Aquariusの水使用量は、パワーアップ状態では一時毎時7.7ポンドほどだった。

構造物全体が冷えた後、12.5A前後の低電力状態では、毎時2.5～2.8ポンド程度まで低下している。

電力と水は別々の問題ではなかった。

同じ運用変更で両方を改善できたのである。

水が一番危ないと見積もられた

NASAのApollo 13公式解説では、消耗品の中で特に問題視されたのが水だった。

ある時点の計算では、現在の消費量が続けば、地球大気圏への再突入より約5時間前に水が尽きると予測された。

しかも水は機器冷却だけではない。

3人が飲むためにも必要である。

そこで乗員の飲料水も強く制限された。

NASAによれば、一人あたりの飲料水は1日6オンス、約180mLまで削減された。

通常量のおよそ5分の1だった。

食事でも、水で戻す必要のある食品を極力避ける。

果汁や、最初から水分を含む食品を利用する。

Mission Reportでは、飲料可能な水は飲用とジュースの復元へ優先して使われ、再加水が必要な食品には使用しなかったと記録されている。

乗員は脱水状態になっていった。

NASAの記録では、ラヴェルは飛行中に14ポンド、約6.4kg体重を落とし、3人では合計31.5ポンド、約14.3kgの減少となった。

これは「節水に成功した」という結果の裏側にあった身体的な負担でもある。

水は本当に尽きたのか

最終的には尽きなかった。

厳しい節水とLMの低電力運用によって、予測された消費量を下げることができた。

Mission Operations Reportによれば、Aquariusを切り離す飛行時間141時間30分の時点でも、使用可能な水は28.2ポンド残っていた。

その残量から計算される寿命は147時間06分。

Apollo 13は142時間台で地球へ帰還する。

つまり最終段階では、必要時刻より先まで水を持たせることができた。

事故直後の「帰還前に尽きる」という見積もりを、運用によって安全側へ動かしたのである。

酸素は最大の問題ではなかった

事故そのものは酸素タンクから始まった。

そのため「Apollo 13では酸素不足が最も危険だった」と考えやすい。

しかしAquariusへ移った後については事情が違う。

月着陸が中止されたため、Aquariusに搭載していた月面活動用の酸素を生命維持へ利用できた。

Mission Operations Reportでは、LMを切り離した141時間30分時点でも使用可能な酸素が28.5ポンド残っており、計算上の寿命は265時間30分まであった。

帰還時刻に対して十分な余裕である。

つまり「呼吸する酸素」より早く問題になったのは、

電池を使い切ること、水を使い切ること、そして吐き出したCO2を処理できなくなること

だった。

酸素があっても、CO2を除去できなければ生きられない

人間は酸素を吸い、二酸化炭素を吐き出す。

密閉された宇宙船では、その二酸化炭素を外へそのまま捨てるわけにはいかない。

空気を循環させ、水酸化リチウム（LiOH）を入れたカートリッジを通す。

LiOHが二酸化炭素を吸収することで、船内のCO2濃度を低く保つ。

問題は、Aquariusに積まれたLiOHの量だった。

月着陸船は2人用。

Apollo 13では3人。

しかも使用期間は大幅に延長されている。

LM側にあるカートリッジだけでは、地球まで3人分のCO2を処理できないことが分かった。

Odysseyには吸収材が大量に残っていた

ところが、宇宙船全体で見ればLiOHが不足していたわけではない。

停止したOdysseyには、Command Module用のLiOHカートリッジが残っていた。

帰還まで使える量もある。

問題は機械的な互換性だった。

Odyssey用のカートリッジは角形。

Aquarius側のシステムは丸形カートリッジを使う。

同じLiOH。

同じ目的。

しかし、そのまま差し込めない。

Apollo計画を象徴する「square peg in a round hole――丸い穴へ四角い栓を入れる」問題である。

なぜ同じApollo宇宙船なのに形が違ったのか

Command ModuleとLunar Moduleは、同じApollo計画で使用する宇宙船だが、別々の機体である。

設計目的も製造会社も異なる。

Command ModuleはNorth American Aviation。

Lunar ModuleはGrumman。

それぞれ独立した環境制御システムを持ち、LiOHカートリッジの形状も統一されていなかった。

通常のミッションなら問題にならない。

OdysseyのカートリッジはOdysseyで使う。

AquariusのカートリッジはAquariusで使う。

一方から他方へ移植する必要など、本来の運用には存在しない。

しかしApollo 13では、その「本来不要な互換性」が必要になった。

CO2濃度が上がり始めた

Mission Operations Reportでは、LMの一次LiOHカートリッジを使用している間に、船内のCO2分圧が14.9mmHgまで上昇したことが記録されている。

飛行時間は約85時間25分。

そこで予備のPLSS系カートリッジへ切り替えた。

しかし、それも恒久的な解決にはならない。

Mission Controlでは、その前からOdysseyの角形カートリッジをAquariusで使う方法を考えていた。

残されているのは、宇宙船内に実際に積まれている物だけである。

新しい部品を宇宙へ送ることはできない。

Houstonの技術者たちは、乗員が手元に持っている材料だけを使って接続装置を作らなければならなかった。

地上では、宇宙船と同じ材料を机に集めた

この問題を担当したのは、NASA Manned Spacecraft CenterのCrew Systems Divisionを中心としたチームだった。

Robert E. “Ed” Smylie、James Correale、James LeBlancらが関わり、宇宙船に搭載されている物品の複製を使って方法を検討した。

条件は厳しい。

「地上なら手に入る便利な部品」を使ってはいけない。

乗員が宇宙船内で同じものを再現できなければ意味がない。

最終的な構成に使用されたのは、

• Command Module用の角形LiOHカートリッジ
• 宇宙服用ホース
• 液冷下着収納用のビニール袋
• フライトプランなどの厚紙
• テープ

など、Apollo 13内部に存在する物だった。

どうやって「角形」をLMの空気循環へ接続したのか

目的は単純である。

Aquariusの空気を、Odysseyの角形LiOHカートリッジへ強制的に通す。

そのため、LMの宇宙服用換気ホースを利用した。

角形カートリッジを袋で覆い、ホースを接続する。

ただし袋が吸引によってカートリッジ表面へ張り付き、空気の流路を塞いではいけない。

そこで厚紙をアーチ状にして内部へ入れ、袋が潰れないよう空間を確保した。

接合部をテープで密閉する。

LMのSuit Fanを動かせば、船内の空気がホースからこの装置を通り、Command Module用LiOHへ流れる。

CO2を除去した空気を再び船内へ戻せる。

NASAのMission Reportに掲載された図を見ると、これは「カートリッジを削って丸くする」装置ではない。

形が違うフィルターへ、空気の流路そのものを作り直すアダプターだったことが分かる。

Houstonで作り、試してから宇宙へ手順を送った

地上チームは案を考えただけではない。

実際に同じ材料で装置を組み立て、試験設備でCO2を除去できることを確認した。

その結果をもとに作業手順を作る。

そしてCapComが、一工程ずつApollo 13へ読み上げた。

「袋のこの位置を切る」

「ホースをここまで入れる」

「この場所をテープで固定する」

宇宙飛行士は口頭で送られる手順を聞きながら、狭いAquariusの中で装置を組み立てた。

NASAに残る通信記録では、完成した際にスワイガートが、自分たちの「do-it-yourself lithium hydroxide canister change」が完成したとHoustonへ報告している。

約93～95時間｜即席アダプターが実際に使われた

Apollo 13 Review Boardの報告では、乗員は飛行時間93時間前後に改造装置を組み立てた。

Mission Operations Reportでは、CO2分圧が再び7.5mmHgへ達した約94時間53分にCommand Module用カートリッジを使用する構成へ切り替えたことが記録されている。

効果はすぐに現れた。

Review Boardによれば、改造後にCO2分圧は7.5mmHgから0.1mmHgまで急速に低下した。

その後は追加のCommand Module用カートリッジを接続しながら運用し、地球帰還までCO2を安全な範囲へ抑えることができた。

「四角いフィルターを丸い穴へ入れた」という有名な逸話の実態は、

既存のファン・ホース・フィルターを組み替え、別機体の消耗品を使える空気循環系を即席で構築した

というシステム変更だった。

これは「宇宙飛行士の工作力だけ」で解決したのか

違う。

乗員が宇宙船内で装置を作ったことは事実である。

しかし、形状を考え、使用可能な材料を確認し、地上で組み立て、実際にCO2除去能力を試験し、手順書へ落とし込んだのはMission Control側の技術者たちだった。

地上で考える。

模擬装置で試す。

手順にする。

宇宙へ送る。

乗員が実行する。

そしてテレメトリで結果を確認する。

Apollo 13では、このサイクルが何度も繰り返された。

LiOHアダプターは、その最も目に見えやすい例である。

「あり合わせで作った」からこそ、事前の準備が重要だった

Apollo 13の即席対応は、ときに「その場のひらめき」による奇跡として語られる。

しかしNASAのMission Operations Reportには、事故前から最低電力状態でLMを運用する検討や、異常時手順のシミュレーションが行われていたことも記されている。

もちろんApollo 13とまったく同じ事故が想定されていたわけではない。

それでも、

• LMを低電力で使う知識
• CSMとLMそれぞれのシステム知識
• シミュレーター
• 実機と同じ部品のモックアップ
• 地上試験設備
• 宇宙船内の搭載品リスト

があった。

その土台があったから、予定外の問題に対して短時間で実行可能な手順を作ることができた。

「何でもその場で考えた」のではない。

既知のシステムを、未知の使い方へ組み替えた。

低電力化の代償は、冷え切った宇宙船だった

電力と水の寿命を延ばすため、Aquariusでは最低限の機器しか動かさなかった。

その結果、船内は非常に寒くなった。

Mission Operations Reportでは、長時間の低電力状態で船内温度がおよそ45～50°F、約7～10℃程度まで下がった区間が記録されている。

別のNASA解説では、さらに低い約38°F、約3℃まで下がったとの記述もある。

時刻や測定位置によって値に差はあるが、共通しているのは、乗員が防寒を必要とするほど船内が冷えたことである。

それでもヒーターを積極的に使うことはできなかった。

暖かさより、地球まで電池を残すことが優先された。

睡眠にも影響した

Mission Reportでは、当初は停止したCommand Moduleを睡眠場所として利用する計画もあった。

しかしOdysseyの内部も急速に冷えた。

窓には水滴が付き、結露が増えていった。

最終的には3人ともAquariusで過ごす時間が長くなる。

LMも冷え切り、NASAのMission Reportでは帰還前約16時間は寒さのため十分な睡眠が困難だったと記録されている。

電力を節約するという工学的に正しい判断は、乗員の休息という別の余裕を削っていた。

最終的に、どれだけ残ったのか

Aquariusを切り離したのは飛行時間約141時間30分。

NASAのMission Operations Reportには、その時点での使用可能な消耗品が残されている。

事故直後には「足りない」と見積もられた資源が、最後には帰還時刻より先まで残った。

これは宇宙船に新しい電池や水が追加されたからではない。

使用率そのものを変えたからである。

FACT CHECK｜CO2問題は「酸素不足」だった？

違う。

Aquarius側には呼吸に必要な酸素は十分残っていた。

問題は、人間が吐き出した二酸化炭素を船内から除去するLiOHカートリッジの処理能力だった。

酸素が十分でもCO2が蓄積すれば人体へ悪影響を及ぼす。

生命維持は「酸素を供給する」だけでは成立しない。

FACT CHECK｜四角いカートリッジを丸く削った？

削っていない。

Command Module用LiOHカートリッジを袋で覆い、LMの宇宙服用ホースを接続し、Aquariusの空気を角形カートリッジへ通す流路を作った。

厚紙は袋が潰れて空気経路を塞ぐのを防ぐための支持構造として使用された。

形状そのものを合わせたのではなく、流体経路を合わせたと考える方が正確である。

FACT CHECK｜NASAはこの装置を宇宙飛行士へ即興で考えさせた？

違う。

地上チームが宇宙船にある物と同じ材料で装置を製作し、試験を行った。

そのうえで作業手順をMission Controlから乗員へ送っている。

Apollo 13の対応では、地上で検証できない案をそのまま宇宙船へ試させることを避ける姿勢が一貫していた。

FACT CHECK｜乗員は水を1日180mLしか使えなかった？

NASAが記録している「1人1日6オンス、約180mL」は、主として乗員が飲むために割り当てられた水の厳しい制限を示す。

一方、宇宙船全体では電子機器の冷却にも水を消費している。

したがって「LM全体で1人180mL分しか水を消費しなかった」という意味ではない。

乗員用の飲料水と、宇宙船システムが使用する冷却水を分けて理解する必要がある。

何がApollo 13を生かしたのか

この段階だけを見ても、「一つの発明が3人を救った」という説明では足りない。

電力は、35A前後だった消費率を約12.5Aまで落とした。

水は、機器の低電力化で冷却消費を減らし、乗員の飲料量まで削った。

酸素は、月面着陸が中止されたことでAquariusに余裕があった。

CO2は、Odysseyに残ったLiOHをAquariusで使えるよう空気経路を作り直した。

それぞれ別の問題に見える。

しかし共通する考え方は同じだった。

「残っている物を、本来とは異なる方法で使う」

Aquariusそのものがそうだった。

月着陸用の電池を帰還用へ。

月面活動用の酸素を3人の生命維持へ。

宇宙服用ホースをCO2除去装置へ。

Command Module用カートリッジをLunar Moduleへ。

フライトプランの厚紙を構造材へ。

通常運用では別々だった機能を、帰還という一つの目的へ組み替えていった。

まとめ｜問題は「残量」ではなく「消費率」だった

Aquariusを救命艇として起動した直後、Apollo 13にはまだ電力も、水も、酸素も、LiOHも残っていた。

しかし、そのままの使用率では地球まで持たない。

Mission Controlは各資源を残量ではなく「あと何時間使用できるか」で管理した。

電力消費は平均約12.5Aまで削減。

それによって発熱と冷却水使用量も低下した。

飲料水は1人1日約6オンスまで制限された。

酸素には十分な余裕があったが、3人が吐き出すCO2を処理するLM用LiOHカートリッジが不足することが分かった。

Odysseyには十分な角形カートリッジがある。

しかしAquariusは丸形。

そこで地上チームは、袋、厚紙、テープ、宇宙服用ホースなど、乗員が持っている物だけでアダプターを開発した。

乗員がその手順どおりに組み立てると、CO2分圧は急速に低下した。

Aquarius切り離し時には、電力、水、酸素のすべてが帰還時刻より先まで残っていた。

事故直後には不足すると考えられた資源を、新しい補給なしで持たせたのである。

しかし、生命維持が可能になっても、Apollo 13はまだ地球へ向かっているとは限らなかった。

事故発生時、宇宙船はフラ・マウロへ向かうため、自由帰還軌道から外れていた。

次に必要なのは、Aquariusの降下用エンジンを使い、月の重力も利用しながら、宇宙船そのものの進路を地球へ戻すことだった。