Mechanism of Mold-Induced Degradation of Silicone Rubber Under Microgravity in Space Environment

宇宙ステーションの密閉された、温度・湿度管理されたキャビン内では、人間のテクノロジーと、必然的に我々と共に移動してくる微小な生命との間で、静かな戦いが繰り広げられている。シリコーンゴムは、その柔軟性と極端な温度に耐えうる能力から重宝されている素材であり、空気を中に留め、宇宙の真空を外に遮断するための重要なシーラント（密封材）として機能している。それは、生命維持システムや電気部品を繋ぎ止めている、名もなき英雄である。しかし、この素材は、宇宙飛行士や装備品に紛れ込んだ微細な真菌（カビ）に対して無敵というわけではない。宇宙船内の温かく湿り気があり、栄養分が豊富な環境において、これらの真菌は製造過程で残された有機添加物を餌として、ゴムの表面に定着することがある。エンジニアたちが長年抱いてきた疑問は、宇宙特有の条件、具体的には重力の欠如が、これらの生物が宿主を攻撃する方法を変化させるのかどうかという点であった。浮遊し、重さのない環境はゴムをより脆弱にするのだろうか、それとも、真菌の成長能力を阻害することによって、何らかの形で素材を保護するのだろうか。

これに答えるため、中国の宇宙プログラムおよび大学の研究者たちは、直接的な比較実験を行い、神舟宇宙船に乗せてシリコーンゴムのサンプルを軌道上に送り込む一方で、同一のサンプルを地上にも保持した。研究チームは、土壌や枯死した植物によく見られる真菌であるアスペルギルス・ブラジリエンスス（Aspergillus brasiliensis）として知られる一般的なカビを、両方のサンプルに接種した。宇宙のサンプルは、中国宇宙ステーションの実際の微小重力環境の中で90日間過ごし、地上のサンプルは、ステーションの温度と湿度を模倣した制御されたラボ環境の中で成長させた。宇宙のサンプルを地球に持ち帰り、地上の双子と比較分析することで、チームは重力の欠如がカビの挙動や、それに続くゴムへの損傷にどのように影響したのかを正確に観察することができた。

結果は、二つの環境におけるカビの振る舞いに驚くべき違いがあることを明らかにした。地球上では、カビは旺盛に繁殖した。胞子（真菌の微小な生殖単位）はゴムの表面に重く沈着し、密集したクラスターを形成した。成長するにつれて、それらは酪酸と呼ばれる特定のタイプを含む多量の有機酸を分泌した。これらの酸は化学溶剤のように作用し、ゴムの内部に浸透してその内部構造を破壊した。研究者たちは、地上ベースのカビが生成した全酸の量が、宇宙のカビが生成したものよりも10倍高いことを発見した。この化学的な攻撃は、目に見える損傷をもたらした。ゴムの表面は粗くなり、窪み、剥がれ落ち、滑らかな仕上げを失い、決定的なことに、電流の流動に対する抵抗能力を失った。材料の絶縁特性は約600 kΩ·cmから約330 kΩ·cmへと低下し、これは内部の分子鎖が深刻に損なわれた兆候である。

対照的に、宇宙のカビは足場を築くのに苦戦した。胞子を下に引き寄せ、表面に定着させ続ける重力がないため、胞子を含む液体は異なった挙動を示し、主に表面張力によって駆動された。これにより、胞子は液滴全体に均一に広がるのではなく、液滴の縁にのみ集まった。その結果、宇宙のカビはまばらで、大部分が不活性な状態にとどまった。それは破壊的な有機酸をほとんど生成せず、ゴムの表面はほぼ無傷のまま保たれた。液体が乾燥した箇所にわずかな亀裂は見られたものの、地上で見られたような広範囲の侵食は素材には起こらなかった。研究者たちは、強力な顕微鏡による観察や、化学変化を検出するための光を用いて、このことを確認した。宇宙のサンプルは、真菌による分解の特徴である分子レベルの崩壊の兆候が、はるかに少なかった。

本研究は、微小重力環境が劣化プロセスを著しく変化させ、地上条件と比較して材料への損傷を軽減させることを結論づけている。重力の欠如は、カビが地上のように破壊的な酸を生成する高密度のコロニーを形成することを防いでいる。一様な腐敗の層が生じる代わりに、宇宙環境では斑点状の弱い定着をもたらし、それが材料の劣化度を低く抑えている。この知見は、長期の宇宙飛行において極めて重要である。なぜなら、シリコーンゴムのシール材は、地球上よりも軌道上での生物学的な摩耗が少ない可能性があることを示唆しているからである。これにより、エンジニアは素材が宇宙でどのように老化するかをより明確に把握できるようになり、より優れた保護戦略を設計し、宇宙飛行士の安全を守る重要なシールが長年にわたって信頼性を維持できるようにすることが可能となる。