宇宙で使える材料、使えない材料 — アウトガスと放射線という2つの壁

「この樹脂は地上で20年使える実績がある」——それでも宇宙では採用されないことがある。

宇宙機の材料選定は、強度や耐久性といった地上の常識とは別の基準で動いている。中でも製造業が最初に戸惑うのが、アウトガスと放射線という2つの壁だ。

この記事では、材料の視点から宇宙環境の特殊性を整理する。

アウトガスとは何か

アウトガス（outgassing）とは、真空中で材料からガス成分が放出される現象である。

地上では、樹脂や接着剤、塗料に含まれる可塑剤や溶剤の残りは、材料内部に留まっている。ところが真空に置かれると、それらが少しずつ気化して外に出ていく。

問題はここからだ。放出されたガスは真空中を飛び回り、近くの冷たい面に付着して膜を作る。これを汚染（コンタミネーション）と呼ぶ。

付着先が悪いと致命傷になる。

自分の部品が壊れるのではなく、他の機器を巻き添えにするのがアウトガスの厄介なところだ。だから「うちの部品は問題ない」では済まされない。

宇宙業界では、材料のアウトガス特性を数値で管理する。代表的な指標が2つある。

TML（Total Mass Loss／全質量損失） — 真空・加熱下で材料が失う質量の割合。どれだけガスが出ていくかを示す。

CVCM（Collected Volatile Condensable Material／捕集された揮発性凝縮物） — 放出されたガスのうち、冷たい面に凝縮して付着した量の割合。実際に汚染を起こす分量にあたる。

一般に TML 1.0%以下、CVCM 0.10%以下が採用の目安とされる。この基準を満たす材料はデータベース化されており、宇宙機の設計では基本的にその中から選ぶ。

つまり「良い材料を探す」のではなく「認められた材料の中から選ぶ」のが宇宙機設計の作法だ。ここが一般産業と発想が違う。

大気と地磁気に守られている地上と違い、宇宙空間には放射線が降り注ぐ。これが材料と電子部品を痛めつける。

影響は大きく2種類ある。

総線量による劣化（TID） — 長期間浴び続けることで、じわじわ性能が落ちる。樹脂は硬化して脆くなり、着色する。半導体は特性がずれていく。寿命に直結する。

単一の粒子による異常（SEE） — 高エネルギー粒子が1個当たっただけで、その瞬間に誤動作や破壊が起きる。メモリのビットが反転する、素子が過電流で焼ける、といった現象である。

ここが直感に反する点だ。 「たくさん浴びると壊れる」だけでなく、「1個当たっただけで壊れることがある」。だから統計的な信頼性設計だけでは不十分で、そもそも耐性のある部品を選ぶ、あるいは異常からの復帰手段を設計に織り込む必要がある。

アウトガスと放射線に比べれば地味だが、無視できない要素がもう2つある。

極端な温度差。日向と日陰で数百度の差が生じる。異なる材料を接合していると、熱膨張率の違いから接合部に応力が集中し、繰り返しの温度サイクルで剥離や破断に至る。地上の温度サイクル試験より遥かに厳しい条件になる。

真空中の摩擦。空気がないと、金属表面の酸化膜が失われ、金属同士が直接触れ合って固着する現象（コールドウェルド）が起こりうる。潤滑剤も真空中では蒸発してしまうため、地上用のグリスはそのまま使えない。可動部を持つ機構では特に注意が要る。

以上を踏まえると、実際に使われる材料には偏りが出る。

構造材：アルミニウム合金が主力。軽く、加工しやすく、実績が豊富。高い剛性が必要なら炭素繊維複合材（CFRP）が使われる。ただしCFRPは樹脂を含むため、アウトガス特性の管理が必要になる。

締結部品：チタン合金やステンレス鋼。強度と耐食性、そして熱膨張の整合が理由。

断熱材：多層断熱材（MLI）。金属蒸着した薄膜を重ねた、あの金色の膜である。

接着剤・塗料：アウトガス基準を満たす宇宙用グレードのものに限定される。ここが一般産業との違いが最も大きい領域で、地上で標準的に使っている接着剤がそのままでは使えないことが多い。

材料の性質そのものより、実務上の作法の方が参入時には重要になる。

第一に、材料を勝手に変えない。 同等品への置き換えは、地上では日常的な判断だが、宇宙機では原則として認められない。アウトガス特性が変わるためだ。変更するなら再評価と承認の手続きが要る。

第二に、材料のロットを記録する。 どのロットの材料をどの製品に使ったかを追跡できる状態にしておく。問題が起きたときの影響範囲を特定するために不可欠で、これは品質要求の記事で述べたトレーサビリティそのものだ。

第三に、洗浄と保管の管理。 手の脂や加工油の残留が汚染源になる。クリーンな環境での取り扱いと、適切な梱包・保管が要求される。

代表的な材料の性格をまとめる。

材料	強み	宇宙での弱点	主な用途
アルミ合金	軽量・加工性・熱伝導	高温に弱い	構体、パネル、筐体
チタン合金	強度・耐熱・低熱膨張	加工が難しい	締結部、圧力容器
CFRP（炭素繊維）	極めて軽く高剛性	吸湿とアウトガス	構体、アンテナ、パネル
ステンレス	強度・耐食	重い	配管、バルブ、タンク
樹脂・接着剤	絶縁・接合	アウトガスが最大の関門	実装、固定、断熱
金蒸着フィルム	熱制御	取り扱いで損傷しやすい	多層断熱材（MLI）

樹脂系だけは選定の考え方が根本的に違う。 地上で実績のある材料でも、低アウトガスの認定品でなければ使えないことが多い。

自社の材料や加工が宇宙分野で通用するか判断がつかない場合は、お問い合わせからご相談ください。

本記事は公開情報をもとに編集部が整理したものです。具体的な材料選定基準は発注元やミッションにより異なります。実際の設計・調達にあたっては、必ず該当する仕様書と公式の材料データベースをご確認ください。