ルナクリート

ルナクリート（別名「ムーンクリート」）は、 1985年にピッツバーグ大学のラリー・A・ベイヤー氏によって初めて提案されたアイデアで、月の表土から作られたコンクリートに似た仮想の建設用骨材であり、月面での建設コストを削減するものです。^[3]アストロクリートは、火星にも適用できるより一般的な概念です。

地球に運ばれてきた月の岩石の量は比較的少量であるため、1988年にノースダコタ大学の研究者は、褐炭 灰を使用してそのような材料の構築をシミュレートすることを提案しました。^{[3]他の研究者は、} JSC-1（1994年に開発され、Toutanjiらによって使用）やLHS-1（Exolith Labによって開発および製造）など、 その後開発された月のレゴリス模擬材料を使用しました。 ^{[4] [5]} ただし、実際のレゴリスを使用した小規模なテストが研究室でいくつか行われています。^[2]

ルナクリートの基本的な材料は、地上のコンクリートと同じ、骨材、水、セメントです。ルナクリートの場合、骨材は月の表土です。セメントは、カルシウム含有量の高い月の岩石を選鉱して製造されます。水は月から供給されるか、月の土壌から生成される水素と酸素を組み合わせて供給されます。^[2]

リンらは、 1986年にアポロ16号で採取された月のレゴリスサンプル40gを使用してルナクリートを製造した。 ^[6] ルナクリートは、乾燥した骨材/セメント混合物に蒸気を使用して硬化させた。リンは、そのような蒸気用の水は、月のイルメナイトに水素を800℃で混ぜて酸化チタン、鉄、水を生成することで生成できると提案した。この水は75MPaの圧縮圧力に耐えることができ、真空に繰り返しさらされてもその強度の20%しか失われなかった。^[7]

2008年、アラバマ大学ハンツビル校のフサム・トゥタンジとマーシャル宇宙飛行センターのリチャード・グルゲルは、月の土壌を模擬したものを使って、硫黄（月の塵から得られる）を結合剤として水なしでルナクリートを作れるかどうかを調べた。この硫黄コンクリートを作るには、硫黄を130～140℃に加熱する必要があった。-27℃から室温までの温度変化を50サイクル繰り返した後、模擬ルナクリートは17MPaの圧縮圧力に耐えられることがわかった。トゥタンジとグルゲルは、この材料をシリカ（これも月の塵から得られる）で強化すれば、この圧力を20MPaまで上げられると考えていた。^[8]

ルナクリートの工業規模生産が可能になるには、相当規模のインフラを整備する必要があるだろう。^[2]

ルナクリートの鋳造には加圧環境が必要である。真空中で鋳造しようとすると、水が昇華してしまい、ルナクリートが硬化しないからである。この問題に対しては、骨材とセメントを予め混合し、蒸気注入法で水を加える方法と、加圧コンクリート製造プラントを使用してプレキャストコンクリートブロックを製造する方法の2つの解決策が提案されている。^{[2] [9]}

ルナクリートは、地上のコンクリートと同様に引張強度が不足している。プレストレストコンクリートを作るための月面同等の張力材料として提案されているのは、やはりレゴリスから作られた月面ガラスであり、これはファイバーグラスが地上のコンクリート補強材としてすでに時々使用されているのとよく似ている。^[2]デビッド・ベネットが提案した別の張力材料は、地球から輸入されたケブラーである（質量の点で、地球から輸入する方が従来の鋼鉄よりも安価である）。^[9]

この提案は、月では水が貴重な資源になる可能性が高いという観察に基づいています。また、硫黄は水硬性セメントとは異なり、非常に短時間で強度が増し、冷却期間を必要としません。これにより、人間の宇宙飛行士が月の表面環境にさらされる時間が短縮されます。^{[10] [11]}

月には硫黄が鉱物トロイライト（FeS）^{[12]の形で存在しており、還元して硫黄を得ることができます。また、セメント質成分（例えば}斜長岩）の抽出に必要な超高温も必要ありません。

硫黄コンクリートは、定評のある建築材料です。厳密に言えば、化学反応がほとんどないためコンクリートではありません。その代わりに、硫黄は非反応性の基質と結合する熱可塑性材料として機能します。セメントと水は必要ありません。コンクリートは硬化させる必要はなく、単に硫黄の融点である 140 °C 以上に加熱し、冷却するとすぐに高強度に達します。

引張強度と圧縮強度に最も優れた混合物は、JSC-1月面レゴリス模擬物65%と硫黄35%で、平均圧縮強度は33.8 MPa、引張強度は3.7 MPaである。2%の金属繊維を加えると、圧縮強度は43.0 MPaに増加する^[13]。シリカを加えるとコンクリートの強度も増加する。^[14]

この硫黄コンクリートは、例えば月を離れるロケットの発射台を作る際に、塵を最小限に抑えるのに特に価値があるかもしれない。^[12]

宇宙放射線からの保護力は低いため、ポートランドセメントをベースとしたコンクリート壁よりも壁を厚くする必要があります (コンクリート内の水は宇宙放射線を特によく吸収します)。

硫黄は115.2℃で融解し、高緯度地域の月の温度は正午に123℃に達することがあります。さらに、温度変化により硫黄の多形転移により硫黄コンクリートの体積が変化する可能性があります。^[12]（硫黄の同素体を参照）。^[14]

したがって、月面上の保護されていない硫黄コンクリートは、表面温度に直接さらされる場合、最高温度が 96 °C 未満で、月ごとの変動が 114 °C を超えない高緯度または日陰の場所に限定される必要があります。

素材は温度サイクルを繰り返すことで劣化しますが、月では月ごとの温度サイクルが遅いため、その影響はそれほど深刻ではないと思われます。外側の数ミリメートルは、太陽風や太陽フレアからの高エネルギー粒子の衝突によるスパッタリングで損傷する可能性があります。ただし、表面層を再加熱または再コーティングして亀裂を焼結し、損傷を修復する ことで、簡単に修復できる可能性があります。

アストロクリートは、月や火星で使用することが提案されているコンクリートのような材料で、レゴリスとヒト血清アルブミン（HSA）（ヒトの血液由来のタンパク質）から作られています。科学者は、この材料の圧縮強度が通常のコンクリートの20～32 MPaに対して、25 MPaにも達することを実証しました。尿素（尿、汗、涙の副産物）を加えると、結果として得られた材料は通常のコンクリートよりも大幅に強くなり、圧縮強度は40 MPaになりました。^{[15] [16] [17]}

著者らは次のように述べている: ^[16]

本質的には、宇宙飛行士が体内で生成したヒト血清アルブミンを半連続的に抽出し、月や火星のレゴリスと組み合わせることで、諺を言い換えると「血から石を得る」ことができます。私たちは、ヒト血清アルブミンの地球外レゴリスバイオ複合材料が、新生火星コロニーで重要な役割を果たす可能性があると考えています。

研究者らはまた、合成クモ糸とウシ血清アルブミンをレゴリス結合剤として実験し、バイオ製​​造技術の進歩によりこれらの材料も火星で生産できる可能性があると指摘した。^[16]

アストロクリートの背後にあるアイデアは新しいものではなく、著者らもそれを認めている。「生物由来の接着剤や結合剤は、石油由来の合成接着剤が開発される以前から、何千年もの間、人類によって広く利用されてきた。樹木の樹脂、蹄のコラーゲン、チーズのカゼイン、動物の血液はすべて、さまざまな用途の結合剤や添加剤として使用されてきた」[ ^{16] 。}

研究者らは、6人の宇宙飛行士の乗組員が火星表面での2年間のミッション中に500kg以上のアストロクリートを生産できると計算した。^[15]各宇宙飛行士は「他の宇宙飛行士を支えるのに十分な追加の居住スペースを生産することができ、初期の火星植民地の着実な拡大を可能にする可能性がある」^{[17] 。}

2023年、ADロバーツは、火星での建設に必要な大量の資材を入手するという課題を克服するために、火星での建築資材の作成に「アストロクリート」の使用がテストされているという記事を書きました。^[18]

• 
  HSAベースのバイオ複合材料を製造するための典型的な製造手順を示す図
• 
  3D プリントされた Astrocrete サンプル。(a) 製造後、(b) 圧縮テスト中、(c) 圧縮テスト後。
• 
  HSA/尿素ベースのバイオ複合材料のライフサイクルプロセスフロー図
• 
  火星で利用可能な現地資源から体内でHSAを生成する方法を示す仮想ブロック図

英国セメント協会のデイビッド・ベネットは、ルナクリートは月面基地の建設資材として次のような利点があると主張している。^[9]

• ルナクリートの生産には、鉄、アルミニウム、レンガの月面生産よりも少ないエネルギーが必要です。^[9]
• +120℃から-150℃の温度変化の影響を受けません。^[9]
• ガンマ線を吸収します。^[9]
• 材料の完全性は、真空に長時間さらされても影響を受けません。材料から自由水は蒸発しますが、硬化プロセスの結果として化学的に結合した水は蒸発しません。^[9]

しかし、彼は、ルナクリートは気密性のある素材ではなく、気密性を高めるためにはルナクリート構造の内部にエポキシコーティングを施す必要があると指摘している。 ^[9]

ベネットは、ルナクリートで作られた仮想の月面建築物では、内部の区画や部屋には低品質のコンクリートブロックが使用され、外部の外壁には高品質の高密度シリカ粒子セメントベースのコンクリートが使用される可能性が高いと示唆している。^[9]

•  宇宙空間で採取した物質の宇宙利用 -宇宙資源の利用
• 月の資源

• Larry A. Beyer (1985 年 10 月)。「Lunarcrete — 地球外建設への斬新なアプローチ」。Barbara Faughnan、Gregg Maryniak (編)。宇宙製造 5: 月面および小惑星材料によるエンジニアリング、1985 年 5 月 8 ～ 11 日に開催された第 7 回プリンストン/AIAA/SSI 会議の議事録。アメリカ航空宇宙学会。p. 172。ISBN 093040307X ISBN 978-0-930403-07-2。   
• TD Lin、H. Love、D. および Stark (1987 年 10 月)。「アポロ 16 号の月面土壌サンプルで作られたコンクリートの物理的特性」(PDF)。Barbara Faughnan、Gregg Maryniak (編)。Space Manufacturing 6: Proceedings of the Eighth Princeton/AIAA/SSI Conference May 6–9, 1987。アメリカ航空宇宙学会。pp. 361–366。
• N. Ishikawa、H. Kanamori、T. Okada。「月面でのコンクリート生産の可能性」（PDF）。WW Mendell、JW Alred、LS Bell、MJ Cintala、TM Crabb、RH Durrett（編）。21世紀の月面基地と宇宙活動に関する第2回会議、テキサス州ヒューストン、1988年4月5～7日。NASA会議出版物。pp. 489～492。
• R. ロビンソン (1989 年 1 月)。「月面の建築」土木工学: 40–43。
• H. Kinomere、S. Matsumoto、H. Fujishiro、K. Yatsuyanagi (1990)。「月面におけるコンクリート生産のコスト研究」。Stewart W. Johnson および John P. Wetzel (編)。宇宙におけるエンジニアリング、建設、および運用 II: Space '90。第 2 回国際会議議事録、ニューメキシコ州アルバカーキ、1990 年 4 月 22 ～ 26 日。ニューヨーク:アメリカ土木学会。pp. 1523 ～1532。ISBN 0872627527。
• リチャード A. ケイデン編 (1991)。月面コンクリート: 月面技術シンポジウム、アメリカコンクリート協会委員会 125、アメリカコンクリート協会年次大会 1991 年 3 月 17 ～ 22 日発表論文。アメリカコンクリート協会。ISBN 9789991045092。
• Dennis M. Pakulski および Kenneth J. Knox (1992)。「月面コンクリート用蒸気注入システム」。宇宙におけるエンジニアリング、建設、および運用 III: Space '92。第 3 回国際会議議事録、コロラド州デンバー、1992 年 5 月 31 日～6 月 4 日。第 2 巻 (A93-41976 17-12)。pp. 1347～1358。
• TD Lin & Nan Su (1992)。「月面のコンクリート建設」。宇宙におけるエンジニアリング、建設、および運用 III: Space '92、第 3 回国際会議議事録、コロラド州デンバー、1992 年 5 月 31 日～6 月 4 日。第 2 巻 (A93-41976 17-12)。pp. 1359～1369。
• Richard M. Drake (1992)。「月面コンクリート生産施設の設計コンセプト」。宇宙におけるエンジニアリング、建設、運用 III: Space '92、第 3 回国際会議議事録、コロラド州デンバー、1992 年 5 月 31 日～6 月 4 日。第 2 巻 (A93-41976 17-12)。34～42 ページ。
• Husam Omar & Mohsen Issa (1993)。「月面構造物用コンクリートのコスト効率」。太平洋国際航空宇宙科学技術会議、台湾、中華民国、1993 年 12 月 6 ～ 9 日。
• Husam A. Omar および Mohsen Issa (1994)。「月面コンクリートの製造におけるデュアルテクノロジーの実現可能性」。Rodney G. Galloway および Stanley Lokaj (編)。宇宙におけるエンジニアリング、建設、および運用 IV: Space '94。第 4 回国際会議議事録、ニューメキシコ州アルバカーキ、1994 年 2 月 26 日～3 月 3 日。第 2 巻。ニューヨーク:アメリカ土木学会。pp. 933～941。ISBN 0872629376。
• Husam A. Omar および Mohsen Issa (1994)。「溶融硫黄を使用した月面コンクリートの製造」(PDF)。Rodney G. Galloway および Stanley Lokaj (編)。宇宙におけるエンジニアリング、建設、および運用 IV: Space '94、第 4 回国際会議議事録、ニューメキシコ州アルバカーキ、1994 年 2 月 26 日～3 月 3 日。第 2 巻。ニューヨーク:アメリカ土木学会。pp. 952～959。ISBN 0872629376。
• I. Casanova (1997)。「月面基地開発における硫黄コンクリートの実現可能性と応用: 予備的研究」(PDF)。第 28 回月惑星科学年次会議、1997 年 3 月 17 ～ 21 日、テキサス州ヒューストン。p. 209。
• TD Lin、Steven B. Skaar 、 Joseph J. O'Gallagher (1997 年 4 月)。「月面における遠隔制御太陽光発電コンクリート製造実験の提案」。Journal of Aerospace Engineering。10 ( 2): 104–109。doi : 10.1061 /(ASCE)0893-1321(1997)10:2(104)。
• Houssam Toutanji、Becca Glenn-Loper、Beth Schrayshuen (2005)。「無水月コンクリートの強度と耐久性」。第 43 回 AIAA 航空宇宙科学会議および展示会、2005 年 1 月 10 ～ 13 日、ネバダ州リノ。アメリカ航空宇宙学会。doi :10.2514/6.2005-1436。
• RN Grugel & Houssam Toutanji (2006)。「月面における硫黄「コンクリート」の実現可能性: 環境的考慮」議事録: 第 43 回アメリカ航空宇宙学会 (AIAA)、ネバダ州リノ、2006 年 1 月 9 日～12 日。- また：
  • R. Grugel & Houssam Toutanji (2006)。「月面における硫黄コンクリートの実現可能性: 環境に関する考慮事項」。宇宙研究の進歩ジャーナル。
• EC Ethridge、DS Tucker、Houssam Toutanji (2006)。「月面コンクリートの補強用ガラス繊維の製造」。第 44 回アメリカ航空宇宙学会 (AIAA) 会議、ネバダ州リノ、2006 年 1 月 9 ～ 12 日。doi : 10.2514/6.2006-523。
• Richard N. Grugela & Houssam Toutanji (2008)。「月面応用のための硫黄「コンクリート」 - 昇華の懸念」。宇宙研究の進歩。41 ( 1): 103–112。Bibcode :2008AdSpR..41..103G。doi :10.1016/ j.asr.2007.08.018。

• https://marspedia.org/Sintered_regolith
• https://lunarpedia.org/w/Sintered_Regolith