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宇宙探査において、その場資源利用（ISRU）とは、地球から運ばれる物質の代わりに、他の天体（月、火星、小惑星など）で発見または製造された物質を収集、処理、保管、使用する行為である。[1]
ISRUは、生命維持、推進剤、建設資材、および宇宙船のペイロードや宇宙探査クルーへのエネルギーのための材料を提供することができます。現在、宇宙船やロボット惑星表面ミッションでは、その場で見つかった太陽放射を太陽電池パネルの形で利用することが非常に一般的になっています。材料生産のためのISRUの使用は、まだ宇宙ミッションでは実装されていませんが、2000年代後半のいくつかのフィールドテストでは、関連する環境でさまざまな月のISRU技術が実証されました。[2]
ISRUは長い間、宇宙探査アーキテクチャの質量とコストを削減する可能性のある手段と考えられてきました。これは、特定の惑星を探索するために地球から打ち上げなければならないペイロードの量を大幅に削減する方法である可能性があるからです。NASAによると、「その場での資源利用により、地球から持ち込まれる物質を最小限に抑えることで、地球外探査と活動を手頃な価格で確立できるようになります。」[3]
用途
水
ISRU の文脈では、水は燃料として、または燃料生産の原料として直接求められることが最も多い。用途には、生命維持、直接の飲用、食料の栽培、酸素の生産、または他の多くの工業プロセスへの使用が含まれるが、これらすべてには、環境中の水の供給とそれを抽出するための装置が必要となる。このような地球外の水は、太陽系全体でさまざまな形で発見されており、いくつかの潜在的な水抽出技術が研究されてきた。レゴリス、固体の氷、または何らかの永久凍土に化学的に結合した水の場合、十分な加熱により水を回収できる。しかし、これは見た目ほど簡単ではなく、氷や永久凍土は普通の岩よりも硬い場合が多く、面倒な採掘作業が必要になる。火星のようにある程度の大気がある場合、WAVARなどの単純なプロセスを使用して空気から直接水を抽出できる。別の可能性のある水源は、火星の潜熱によって温められた深層帯水層であり、これを利用して水と地熱発電の両方を供給できる。[要出典]
ロケット推進剤
月の極地で発見された氷を処理してロケット燃料を生産するという提案がある。考えられる困難としては、極低温での作業や表土からの水の抽出などがある。ほとんどの計画では、水を電気分解して水素と酸素を生成し、それを液体として極低温で保存する。これを実現するには大量の装置と電力が必要となる。あるいは、原子力ロケットや太陽熱ロケットで水を加熱することも可能かもしれない。[4]これにより、同じ量の装置で、比推力ははるかに低いものの、月から低地球軌道(LEO)に大量の物質を運ぶことができるかもしれない。[5]
一元推進剤である 過酸化水素（H 2 O 2 ）は火星と月の水から作ることができます。 [6]
アルミニウムや他の金属は、月の資源を使って作られたロケットの推進剤としての使用が提案されており、[7]アルミニウムを水と反応させる提案も含まれている。[8]
火星では、メタン燃料はサバティエ法で製造できる。SpaceXは、このプロセスを使用してメタン（CH）を生成する燃料工場を火星に建設することを提案している。
4）と液体酸素（O 2）を地下水氷と大気中のCOから生成する。
2[9 ]
太陽電池生産
月の土壌に含まれる材料から太陽電池を製造できる可能性は長い間示唆されてきた。太陽電池の製造に必要な3つの主要材料であるシリコン、アルミニウム、ガラスは、月の土壌に高濃度で存在し、太陽電池の製造に使用できる。 [10]実際、月面の自然真空は、太陽電池用の薄膜材料を直接真空蒸着するのに最適な環境である。[11]
月面で製造されたソーラー アレイは、月面の活動だけでなく、月面外の衛星のサポートにも使用できます。月面で製造されたソーラー アレイは、地球で製造および出荷されたソーラー アレイよりもコスト効率が高い可能性がありますが、この取引は、問題となっている特定のアプリケーションの場所に大きく依存します。[引用が必要]
月由来の太陽電池アレイのもう一つの潜在的な用途は、地球への電力供給である。当初の形態は太陽光発電衛星と呼ばれ、地球の代替電源として提案された。太陽電池を地球の軌道に打ち上げて組み立て、その結果生じた電力をマイクロ波ビームで地球に送る。[12]このようなベンチャーのコストについては多くの研究がなされているが、月面での製造手順のコストと複雑さについては不確実性があった。
建築資材
惑星や衛星への植民地化には、レゴリスなどの現地の建築資材の入手が必要となる。例えば、エポキシ樹脂とテトラエトキシシランを混ぜた人工火星土を使用した研究では、強度、耐性、柔軟性のパラメータが十分に高い値を示した。[13]
小惑星採掘には、宇宙での建設資材用の金属の抽出も含まれる可能性があり、これは地球の深い重力井戸や、月や火星などの他の大きな天体からそのような材料を持ち出すよりも費用対効果が高い可能性があります。金属小惑星には、貴金属を含む親鉄性金属が大量に含まれています。[要出典]
場所
火星
ISRUの火星研究は、主に地球への帰還（有人またはサンプルリターンミッション）用のロケット推進剤、または火星での燃料としての使用に焦点を当てています。提案されている技術の多くは、火星のよく特徴付けられた大気を原料として使用しています。[14]これは地球上でシミュレートできるため、これらの提案は比較的簡単に実装できますが、NASAやESAが従来の直接ミッションよりもこのアプローチを好むかどうかはまったくわかりません。[15]
ISRUの典型的な提案は、サバティエ反応、CO 2 + 4H 2 → CH 4 + 2H 2 Oを使用して火星の表面でメタンを生成し、推進剤として使用するというものである。電気分解によって水から酸素が解放され、水素はサバティエ反応に再循環される。この反応の有用性は、火星に水が存在することが科学的にあまり実証されていなかった2008年の時点では[アップデート]、地球から水素（軽い）だけを持ち込む必要があると考えられていたことである。[16]
2018年現在[アップデート]、SpaceXは、前の段落で説明したもののバリエーションを使用できる火星推進剤プラントの技術を開発するという目標を表明しています。メタンと酸素の製造に使用するために地球から水素を輸送するのではなく、地下水氷から必要な水を採掘し、サバティエ後の反応物を製造して保管し、 2023年以降にスターシップの帰還飛行の推進剤として使用することを計画していると発表しました。 [17] [18] 2023年現在、SpaceXはISRU技術の設計や仕様を作成または公開していません。[19]
火星で提案されている同様の反応は、逆水性ガスシフト反応、CO 2 + H 2 → CO + H 2 Oです。この反応は、鉄クロム触媒の存在下で400℃で急速に進行し、[20] NASAの地球ベースのテストベッドで実装されています。 [21]また、水素は電気分解によって水からリサイクルされ、反応には地球からの少量の水素のみが必要です。この反応の最終的な結果は、ロケット燃料の酸化剤成分として使用される酸素の生成です。[要出典]
酸素と燃料を生成するために提案されているもう一つの反応は[22]大気中の二酸化炭素の電気分解である。
- [23]
![{\displaystyle {\ce {{\overset {大気中の二酸化炭素}}{2CO2}}->[{\text{エネルギー}}]{2CO}+O2}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/4f49184ac2be27170a7a7cda59230d9189caf92d)
また、火星のヘマタイト鉱床から二段階の熱化学的CO 2 /H 2 O分解プロセス、具体的には磁鉄鉱/ウスタイト酸化還元サイクルを介して酸素、水素、およびCOをその場で生成することが提案されている。[24]熱分解は分子を分解する最も直接的な一段階プロセスであるが、H 2 OまたはCO 2のいずれの場合も実用的でも効率的でもない。これは、このプロセスでは有用な解離率を達成するために非常に高い温度（> 2,500 °C）が必要になるためである。[25]これにより、適切な反応器材料を見つけること、活発な生成物の再結合による損失、および集中した太陽熱を使用する場合の過度の開口部放射損失という問題が生じる。磁鉄鉱/ウスタイト酸化還元サイクルは、中村によって地球上での太陽光への応用のために初めて提案され、[26]太陽光駆動の二段階水分解に使用された最初のサイクルの1つであった。このサイクルでは、水がウスタイト (FeO) と反応して磁鉄鉱 (Fe 3 O 4 ) と水素を形成します。この 2 段階の分解プロセスにおける反応をまとめると、次のようになります。
![{\displaystyle {\ce {Fe3O4->[{\text{エネルギー}}]{3FeO}+\overbrace {1/2O2} ^{\underset {(\operatorname {副産物} )}{酸素}}}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/741b834f7d4920fe9b9b880dc3a7ad145851efb6)
得られたFeOは水またはCO2の熱分解に使用されます 。
- 3FeO + H 2 O → Fe 3 O 4 + H 2
- 3FeO + CO 2 → Fe 3 O 4 + CO
このプロセスは周期的に繰り返されます。上記のプロセスは、分子を分割する最も直接的な1段階のプロセスと比較すると、熱エネルギーの入力が大幅に削減されます。[27]
しかし、このプロセスではサイクルを開始するためにウスタイト(FeO) が必要ですが、火星にはウスタイトがないか、少なくとも十分な量はありません。それでも、ウスタイトは火星に豊富に存在する物質であるヘマタイト (Fe 2 O 3 ) を還元することで簡単に得られます。特に、テラ・メリディアニにある強力なヘマタイト鉱床が目立ちます。[28]火星に豊富に存在するヘマタイトからウスタイトを使用することは、地球上でよく知られている工業プロセスであり、次の 2 つの主な還元反応によって行われます。[要出典]
- 3Fe 2 O 3 + H 2 → 2Fe 3 O 4 + H 2 O
- 3Fe 2 O 3 + CO → 2Fe 3 O 4 + CO 2
2001年に提案されたマーズ・サーベイヤー着陸機は、火星の大気から酸素を製造することを実証し、[29]太陽電池技術と火星の塵が電力システムに与える影響を軽減する方法をテストすることになっていたが、プロジェクトは中止された。[30]火星2020ローバーミッションには、大気からCO2を抽出してO2を生成するISRU技術実証装置（火星酸素ISRU実験）が含まれている。[31]
火星の建物は断熱性に優れた玄武岩で作れるのではないかとの説もある。このタイプの地下構造は生命体を放射線被曝から守ることができるだろう。[32]
プラスチックを作るのに必要な資源はすべて火星に存在する。[33] [34]これらの複雑な反応の多くは、火星の大気から採取されたガスから完了することができる。微量の遊離酸素、一酸化炭素、水、メタンは、すべて存在することが知られている。[35] [36]水素と酸素は、二酸化炭素と水素のサバティエ反応によって、水の電気分解、一酸化炭素と酸素の電気分解によって作ることができる。これらの基本反応は、プラスチックを作ることができるより複雑な一連の反応の構成要素を提供する。エチレンは、ポリエチレンやポリプロピレンなどのプラスチックを作るのに使用され、一酸化炭素と水素から作ることができる。[37]
- 2CO + 4H 2 → C 2 H 4 + 2H 2 O。
月
月には、将来のさまざまな用途に関連する可能性のある豊富な原材料があり、月面自体での人間の活動を容易にするための月の材料の使用から始まり、地球-月系内の将来の産業能力を支えるための月の資源の使用へと進んでいます。[38]天然資源には、太陽エネルギー、酸素、水、水素、金属などがあります。[39] [40] [41]
月の高地物質である灰長石はアルミニウム 鉱石として使用できます。製錬所は灰長石から純粋なアルミニウム、金属カルシウム、酸素、シリカガラスを生産できます。原料の灰長石は、グラスファイバーやその他のガラス製品やセラミック製品の製造にも適しています。[42]特定の処理技術の1つは、地球からフッ化カリウムとして持ち込まれたフッ素を使用して、月の岩石から原料を分離することです。[43]
月のレゴリスから酸素を抽出するために、20種類以上の方法が提案されている。 [7]酸素は、鉄分を多く含む月の鉱物やガラスに酸化鉄としてよく見られる。この物質を900℃以上の温度に加熱し、水素ガスにさらすことで酸素を抽出できる。基本式は、FeO + H 2 → Fe + H 2 Oである。このプロセスは、クレメンタイン宇宙船が月の極付近で大量の水素を含むレゴリスを発見したことで、最近はるかに実用的になった。[44]
月の材料は、焼結、ホットプレス、液化、鋳造玄武岩法などの加工技術により、一般的な建築材料としても使用できます。 [45]鋳造玄武岩は、地球上では、例えば耐摩耗性が求められるパイプの建設に使用されます。[46]ガラスとガラス繊維は、月や火星では簡単に加工できます。[42]玄武岩繊維は、月のレゴリスシミュレーターからも作られています。
地球上では、2つの月面レゴリス模擬物 MLS-1とMLS-2を使用したテストが成功しています。[47] 2005年8月、NASAは、月の土壌を現場でどのように使用できるかを研究するために、16トンの模擬月面土壌、つまり月面レゴリス模擬物質の製造を契約しました。[48] [49]
火星の衛星、ケレス、小惑星
他の提案[50]はフォボスとダイモスに基づいています。これらの衛星は火星よりかなり高い軌道にあり、脱出速度が非常に低く、火星とは異なり、表面からLEOへの帰還デルタvは月からの帰還よりも小さいです。[要出典]
ケレスは火星よりも遠く、デルタvも高いが、打ち上げ時期や移動時間はより良好で、表面重力はわずか0.028g、脱出速度は510m/sと非常に低い。研究者は、ケレスの内部構造は岩石の核の上に水と氷が豊富なマントルを含むと推測している。[51]
地球近傍小惑星や小惑星帯の天体も、ISRU の原材料の供給源となる可能性があります。[引用が必要]
惑星の大気
ロケット推進用の「採掘」の提案がなされており、これは推進流体蓄積装置と呼ばれるものを使用している。酸素やアルゴンなどの大気ガスは、低軌道上の推進流体蓄積衛星によって、地球、火星、および外惑星などの惑星の大気から抽出できる可能性がある。[52]
ISRU 能力分類 (NASA)
2004年10月、NASAの高度計画統合局はISRU機能ロードマップチームを発足させた。同チームの報告書は、他の14の機能ロードマップチームの報告書とともに、2005年5月22日に発表された。[53]この報告書では、7つのISRU機能を特定している。[53] : 278
- 資源の抽出、
- 資材の取り扱いと輸送、
- 資源処理、
- 現地資源を利用した表面製造、
- 表面構造、
- 地上ISRU製品および消耗品の保管と配送、および
- ISRU独自の開発・認証能力。[53] : 265
この報告書は月と火星の環境に焦点を当てており、2040年までの詳細なタイムライン[53] : 274 と能力ロードマップ[53] : 280–281 を提示しているが、月着陸船は2010年と2012年に打ち上げられると想定している。[53] : 280
ISRU技術デモンストレーターとプロトタイプ
マーズ・サーベイヤー2001着陸機は、火星の大気から酸素を製造することを実証するための試験ペイロードMIP（Mars ISPP Precursor）を火星に運ぶ予定だったが[54]、このミッションは中止された。[要出典]
火星酸素ISRU実験（ MOXIE）は、火星2020探査車パーセベランスに搭載された1％スケールのプロトタイプモデルであり、固体酸化物電気分解と呼ばれるプロセスで火星の大気中の二酸化炭素（CO2 ）から酸素を生成します。[ 55] [56] [57] [58]この実験では、2021年4月20日に最初の5.37グラムの酸素が生成されました。[59]
月面探査車リソース・プロスペクターは、月の極地の資源を偵察するために設計され、2022年に打ち上げられる予定だった。[60] [61]ミッションのコンセプトは策定前の段階で、プロトタイプの探査車がテストされていたが、2018年4月に中止された。[62] [60] [61]その科学機器は、代わりにNASAの新しい商業月面ペイロードサービス（CLSP）プログラムによって契約されたいくつかの商業着陸船ミッションで飛行する予定であり、複数の商業着陸船と探査車にいくつかのペイロードを着陸させることで、さまざまな月のISRUプロセスのテストに重点を置くことを目指している。最初の正式な募集は2019年に予定されていた。[63] [64]リソース・プロスペクターの精神的な後継機はVIPER（ローバー）になったが、これも2024年にキャンセルされた。
参照
- アンソニー・ズッペロ – アメリカの核科学者
- 小惑星採掘 – 小惑星からの原材料の採掘
- デイヴィッド・クリスウェル – アメリカの天文学者 (1941–2019)
- ダン・ブリット – 天体地質学者
- 直接還元鉄 – 高炉を使わずに鉱石から作られた鉄金属
- ジェラルド・K・オニール – アメリカの物理学者、作家、発明家 (1927–1992)
- 人間の居住地 – 人間にとって住みにくい環境にある人間の居住地
- 月面基地（NASA） - 月面での長期滞在の構想
- 月面資源 – 月面の現地資源
- 月の水 – 月の水の存在
- ルナクリート – 月のレゴリスから作られた、コンクリートに似た仮想集合建築材料
- 火星設計基準ミッション – 火星への有人ミッションの概念設計研究
- 火星滞在 – 帰還車両なしを提案する火星植民地化建築
- 惑星保護 – 惑星間生物汚染の防止
- 惑星表面建設 – 惑星表面の構造物の建設
- 推進剤貯蔵庫 – 宇宙船の燃料補給に使用される推進剤の貯蔵庫
- 推進流体アキュムレーター – 自己充填式軌道ロケット燃料貯蔵庫
- シャクルトン・エナジー・カンパニー – 月の採掘のための機器と技術を開発するために設立された会社
- 宇宙建築 – 惑星外居住構造物の建築
- 宇宙植民地化 – 地球外での恒久的な人類居住の概念
- 宇宙探査ビジョン – 2004 年米国有人宇宙探査計画
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さらに読む
- MoonMars のリソース利用コンセプト。Iris Fleischer、Olivia Haider、Morten W. Hansen、Robert Peckyno、Daniel Rosenberg、Robert E. Guinness 著。2003 年 9 月 30 日。IAC ブレーメン、2003 (2003 年 9 月 29 日～10 月 3 日) および MoonMars ワークショップ (2003 年 9 月 26 日～28 日、ブレーメン)。2010 年 1 月 18 日にアクセス。
- クロフォード、イアンA. (2015)。「月の資源：レビュー」。物理地理学の進歩。39 ( 2 ): 137–167。arXiv : 1410.6865。Bibcode : 2015PrPhG..39..137C。doi : 10.1177 / 0309133314567585。S2CID 54904229 。
外部リンク
- UW AA 部門 ISRU 研究室
- ISRU太陽電池製造
- 月面のISRU
- 月の氷 LEOからGEOへの転送の場合月の氷があればロケットの燃料コストが桁違いに低くなる
- 地元の材料で惑星を開拓する
- リンコン、ポール (2013 年 1 月 22 日)。「小惑星採掘の新事業」BBC ニュース。
- 現場資源利用 (ISRU) 機能 nasa.gov