宇宙にもっと空気が必要ですか？磁石で水から空気を引き出すことができます。

人間は、新鮮な空気を吸うといった単純なことでさえ、多くのことを当たり前だと思ってしまう傾向があります。国際宇宙ステーションなどでは、酸素がかけがえのない資源となるまで、私たちの体が酸素にどれほど依存しているかを忘れがちです。

宇宙飛行士は通常、必要な物資を積んで宇宙に送られますが、呼吸可能な空気のタンクを宇宙ステーションに送り続けるのは費用がかかりすぎます。その代わりに、宇宙飛行士が生命維持のために頼る酸素は、電気分解と呼ばれるプロセスによって生成されます。電気分解では、水を水素ガスと酸素ガスに分解するために電気が使用されます。地球上では、同様のプロセスが光合成によって自然に発生し、植物は水素を使って食物となる糖を作り、大気中に酸素を放出します。

しかし、ISSのシステムは膨大なエネルギーと維持費を必要とするため、科学者たちは宇宙で持続的に空気を作り出すための代替手段を模索してきた。その解決策の1つが最近NPJ Microgravity誌に発表され、研究者らは磁石を使って液体からガスを引き出す方法を発見した。

「水やその他の液体もある程度は磁性を持っているということを知っている人は多くありません」と、現在ジョージア工科大学グッゲンハイム航空宇宙工学部の助教授で、この研究の筆頭著者であるアルバロ・ロメロ・カルボ氏は言う。

「この物理的原理は物理学界ではよく知られていますが、宇宙での応用については現時点ではほとんど研究されていません」と彼は言う。「宇宙技術者が流体を含む宇宙システムを設計する際、磁石を使って相分離を誘発する可能性は考慮すらされません。」

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ドイツのブレナン大学応用宇宙技術・微小重力センター（ZARM）で、ロメロ・カルボのチームは「磁気誘導浮力」という現象を研究することができた。この概念は、ソーダ缶をイメージすると説明しやすい。地球上では、液体は二酸化炭素分子よりも密度が高いため、ソーダの泡は分離して、惑星の重力の影響を受けると飲料の表面に浮かぶ。一方、微小重力によって連続的な自由落下が生じ、浮力の効果がなくなる宇宙では、内部の物質は分離しにくくなり、泡は単に空中に浮いたままになる。

磁石が効果を発揮するかどうかをテストするため、研究チームは ZARM の落下塔で研究を行いました。この塔では、気密性のある落下カプセルに入れられた実験装置が、数秒間無重力状態になります。さまざまなキャリア液体が入った注射器に気泡を注入することで、研究チームは磁力を利用して微小重力下で気泡を分離することに成功しました。これにより、さまざまな物質内の気泡がネオジム磁石に引き寄せられたり、反発したりできることが証明されました。

さらに、研究者らは、テストしたさまざまな水溶液（精製水やオリーブオイルなど）の固有の磁気特性を通じて、気泡を液体内のさまざまな場所に導くことができることを発見しました。基本的に、容器を通して空気を集めたり送ったりすることが容易になります。ロメロ・カルボ氏は、乗組員のために酸素を豊富に供給するために使用されることに加えて、研究結果は、微小重力磁気相分離器の開発が、より優れた推進剤管理デバイスや廃水リサイクル技術など、より信頼性が高く軽量な宇宙システムにつながる可能性があることを示していると述べています。

磁石の研究用途の可能性を実証するため、研究チームは、ISS 実験用のバクテリア培養に使われる培地である Lysogeny Broth を使った実験も行った。結果、この培養液とオリーブオイルは、磁力によって「著しく影響を受けた」。「この問題に注いだ努力はどれも、宇宙にある他の多くの製品にも影響を与えるので、無駄にはならない」とロメロ・カルボ氏は言う。

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次世代の宇宙技術者が将来の宇宙ステーションに磁石を採用することを決定した場合、新しい方法によって、より効率的で呼吸可能な大気を生成し、月や特に火星を含む他の地球外環境への人類の旅をサポートできます。赤い惑星への有人ミッションを計画する場合、ISS の現在の酸素供給システムは複雑すぎて、長い旅の間完全に信頼できるものではありません。磁石を使用してシステムを簡素化すると、ミッション全体のコストが下がり、酸素が豊富に確保されます。

ロメロ・カルボ氏は、この画期的な発見が最終的に火星着陸に役立つ可能性があると述べているが、他の科学者たちは、プラズマ（強力な電界によって容易に励起される電子などの自由荷電粒子を含む物質の状態）を使用して酸素を製造する方法に取り組んでいる。この方法は、燃料、肥料、その他の火星移住に役立つ材料に利用できる。どちらのプロジェクトもまだ大規模ではないが、これらの新たな進歩は、人類が前進し続け、慣れ親しんだ地平線を超えようと努力する中で、人類が成し遂げられる驚くべき偉業を表している。