国際宇宙ステーション（ISS）は微小重力環境ですが、その「微小重力」は一つの数字だけで表せるほど単純ではありません。ISSには、大気抵抗や重力勾配のようにゆっくり変わる加速度もあれば、機器の動作や乗員の移動で生じる細かな振動もあります。
ISSの微小重力がMAMSとSAMS-IIで違う揺れとして測定されるのは、二つの装置が別々の時間スケール・周波数帯の加速度を担当しているからです。MAMSは主にDCから0.01Hz付近までの準定常的な加速度を測り、SAMS-IIはおよそ0.01Hzから数百Hzの振動・過渡加速度を測ります。両方を合わせることで、実験が実際にどんな微小重力環境へさらされたかを立体的に評価できます。
ISSの微小重力には「ゆっくりしたずれ」と「細かな振動」がある
ISSは地球の周囲を自由落下しているため、船内では物体の重さがほとんど感じられません。ただし完全な0Gではなく、小さな残留加速度があります。
JAXAは、ISSの微小重力環境について、10のマイナス6乗gから10のマイナス4乗g程度の範囲を示し、大気抵抗や重力傾度、搭乗員の活動、太陽電池パドルなどの動作が影響すると説明しています。
これらの影響は同じ速さで起きるわけではありません。大気抵抗や重力勾配は比較的ゆっくり変わりますが、機器の回転や乗員の動き、ドッキングなどはより短い時間に振動や衝撃として現れます。
そのため微小重力環境を測るには、長周期の変化と短周期の振動を分けて観測する必要があります。
MAMSはゆっくり変わる準定常加速度を測る
MAMSはMicrogravity Acceleration Measurement Systemの略です。
NASAは、MAMSをSAMS-IIを補完する加速度測定システムとして説明し、主にDCから0.01Hzまでの加速度を測るとしています。
この周波数帯で重要なのが、大気抵抗、ISSの小さな姿勢変化、重力勾配などです。これらは非常にゆっくり変化するため、数秒に何度も上下する振動とは性質が違います。
たとえばISSがわずかな高層大気の抵抗を受けると、進行方向と反対向きに小さな加速度が続きます。またISSの質量中心から離れた場所では、重力勾配と回転運動によって準定常的な加速度が生じます。
MAMSはこうした「長い時間にわたってじわじわ効く加速度」を捉えるための装置です。
SAMS-IIは振動や一時的な加速度を測る
SAMS-IIはSpace Acceleration Measurement System-IIの略です。
NASAによると、SAMS-IIはおよそ0.01Hzから400Hzの範囲にある振動・過渡加速度を測ります。対象になるのは、ISSの機器運転、実験装置、乗員の移動、構造の熱膨張・収縮、ドッキングや姿勢変更などです。
こうした細かな加速度擾乱は、まとめてg-jitterと呼ばれることがあります。
宇宙飛行士が体感できないほど小さな振動でも、流体、結晶、コロイド、燃焼などの高感度な微小重力実験には影響する場合があります。そのためSAMS-IIでは、実験装置の近くへ三軸センサーを置き、その場所で実際に生じている振動を測定します。
なぜ一台の加速度計ですべて測らないのか
非常に低い周波数から数百Hzまでを、同じ感度・同じ精度で一台のセンサーだけで測るのは簡単ではありません。
ゆっくりした準定常加速度を高精度で測るには、長時間の安定性や低周波ノイズへの対策が重要です。一方、高い周波数の振動を捉えるには、高速なサンプリングと広い周波数応答が必要です。
つまり、低周波に強い測定器と高周波に強い測定器では、設計上求められる性能が違います。
MAMSとSAMS-IIはこの役割を分担し、それぞれ得意な周波数帯を測ることでISSの微小重力環境全体を補完しています。
「0.01Hz」はどれくらいゆっくりした変化か
周波数が0.01Hzというのは、およそ100秒で1回変化する速さです。
つまりMAMSが主に見る領域は、数分からさらに長い時間スケールで変わる加速度です。
一方、1Hzなら1秒に1回、10Hzなら1秒に10回、100Hzなら1秒に100回の振動になります。SAMS-IIはこうしたより速い変化を測ります。
この違いを理解すると、MAMSとSAMS-IIが「同じ微小重力を違う数字で測っている」のではなく、「同じ環境の別の時間スケールを見ている」ことが分かります。
MAMSのデータはISS内の別の場所へ換算できる
NASAの加速度データ解説では、MAMSは主に準定常加速度を測る中央集中的なシステムとして扱われています。
非常に低い周波数では、ISS全体をおおむね一つの剛体として近似できます。そのためMAMSがある位置で測定した準定常加速度を、重力勾配や回転の効果を考慮して、別の実験位置へ数学的に換算できます。
つまり準定常成分については、実験装置のすぐ横にMAMSを毎回置く必要はありません。
これは、局所振動を測るSAMS-IIとの大きな違いです。
SAMS-IIはなぜ実験装置の近くに置くのか
高周波の振動は、ISS全体で同じ強さになるとは限りません。
ファン、ポンプ、モーター、冷却装置、乗員の運動など、振動源の近くでは強く、構造を伝わるうちに弱くなったり特定周波数で共振したりします。
そのためNASAのSAMS-IIでは、Remote Triaxial Sensorをできるだけ対象実験の近くへ配置します。
同じ時刻でも、あるラックでは強く出ている振動が、離れた別のラックでは小さいことがあります。SAMS-IIが分散配置されるのは、この局所性を捉えるためです。
同じ実験でも低周波と高周波で影響の仕方が違う
微小重力実験では、加速度の平均値だけでなく、どの周波数帯にどれだけの揺れがあるかが重要です。
たとえば液体中の粒子や気泡は、長時間続く小さな加速度によってゆっくり移動することがあります。この場合はMAMSが測る準定常成分が重要です。
一方、結晶成長や精密な界面現象では、装置振動のような短周期のg-jitterが影響することがあります。この場合はSAMS-IIのデータが重要になります。
同じ微小重力実験でも、研究対象によって注意すべき周波数帯が違うのです。
なぜ「平均で10のマイナス6乗g」だけでは足りないのか
ISSの微小重力を「10のマイナス6乗g程度」と表すことは便利ですが、それだけでは実験条件を十分に説明できません。
たとえば同じ平均加速度でも、ほぼ一定の小さな加速度が続く場合と、短時間に大きな振動が繰り返される場合では、液体や粒子への影響が異なります。
平均値だけを見れば同じでも、時間波形や周波数スペクトルは違うことがあります。
そのため微小重力実験の解析では、MAMSとSAMS-IIのデータを組み合わせ、「どの程度の加速度が、どの周波数で、どの時間帯に存在したか」を確認します。
PIMSは二つの測定データを実験解析につなげる
NASA Glenn Research CenterのPrincipal Investigator Microgravity Services（PIMS）は、ISS実験の研究者へ加速度環境情報を提供しています。
PIMSはMAMSとSAMS-IIのデータを使い、特定の実験が実施された場所・時間にどのような微小重力環境だったかを解析します。
これにより、実験結果に予期しない変化があったとき、その時間帯に姿勢変更や乗員活動、機器振動がなかったかを確認できます。
逆に、特定周波数の振動と実験結果が対応していれば、その現象がどの程度加速度に敏感かを調べる手がかりにもなります。
測定値が違っても矛盾ではない
MAMSとSAMS-IIで異なる波形が得られても、どちらかが間違っているとは限りません。
MAMSは非常に低い周波数の準定常加速度を、SAMS-IIはより高い周波数の振動・過渡加速度を測っています。対象としている周波数帯が違うため、波形も数値の見え方も違って当然です。
これは、気象観測で気温と風速を別々のセンサーで測るのと少し似ています。どちらも同じ環境を表していますが、測っている要素が異なります。
微小重力環境でも、一つの装置だけでは全体像を十分に捉えられないため、役割の異なる測定システムを組み合わせます。
ISSの微小重力を理解するときは4つを見る
ISSの加速度データを読むときは、次の四つを確認すると整理しやすくなります。
第一は周波数帯です。準定常成分なのか、振動成分なのかを確認します。
第二は測定場所です。SAMS-IIでは振動源との距離が重要です。
第三は測定時刻です。乗員活動、機器運転、ドッキング、姿勢変更などがなかったかを確認します。
第四は実験対象です。液体、結晶、燃焼、コロイドなどによって影響を受けやすい周波数が違います。
この四つを揃えることで、「ISSの微小重力は何gか」という一つの数字より、実験にとって本当に意味のある環境を評価できます。
まとめ
ISSの微小重力がMAMSとSAMS-IIで違う揺れとして測定されるのは、二つの装置が異なる周波数帯の加速度を担当しているからです。
MAMSは主にDCから0.01Hz付近までの準定常加速度を測り、大気抵抗、重力勾配、ゆっくりした姿勢変化などを捉えます。
SAMS-IIはおよそ0.01Hzから数百Hzの振動・過渡加速度を測り、機器運転、乗員活動、ドッキング、構造振動などによるg-jitterを捉えます。
低周波成分はISS全体に比較的共通するためMAMSのデータを別位置へ換算できますが、高周波振動は局所性が強いためSAMS-IIのセンサーは実験装置の近くに置かれます。
つまり、MAMSとSAMS-IIは同じ値を競って測る装置ではありません。ISSの微小重力環境を異なる時間スケールから分担して観測し、二つを組み合わせることで、実験が実際に受けた「揺れ」の全体像を明らかにしているのです。
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主な参考資料
- JAXA「宇宙環境の特徴」
- JAXA「国際宇宙ステーション（ISS）で行われている実験」
- NASA「Acceleration Measurements」
- NASA Glenn「Space Acceleration Measurement System (SAMS)」
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