月の土壌は宇宙で酸素を作るのに役立つかもしれない

中国の科学者チームは、同国の嫦娥5号ミッションによって最近収集された月の岩石を分析した。これは1970年代の最後のアポロ計画以来、地球に持ち帰られた最初の月の岩石である。

研究室で新しい月の岩石を実験したところ、月で燃料や酸素を作るための触媒として役立つ可能性のある物質が含まれていることが判明した。研究チームは、将来の月探査者がこれらの触媒を使って、物資を詰め込む代わりに重要な資源を作る戦略を提案した。これは長期宇宙探査のコストを最小限に抑える可能性のある方法の1つである。研究チームはその結果を木曜日にジュール誌に発表した。

チームが新しい月の岩石のデータを使い、「このような計算ができたことは、とても素晴らしいことだと思います」と、この研究には関わっていない元NASA宇宙飛行士でMITの航空宇宙工学教授のジェフリー・ホフマン氏は言う。しかし、燃料と酸素を作るために必要な材料とエネルギーに関しては、この研究には、このプロセスがどの程度スケールアップするかについての徹底した推定が欠けているとホフマン氏は言う。

提案されているプロセスには、月の土壌から採取した水、炭素、化学触媒が必要です。これらの触媒は、水を水素と酸素に分解するのに役立ちます。二酸化炭素と水素も、触媒の助けを借りて、炭化水素燃料（メタンまたはメタノール）に変換され、新しく生成された酸素と一緒に燃焼されます。

しかし、炭素は月面には存在しないため、チームの計画では乗組員室の空気から炭素を採取する必要がある。炭素回収と呼ばれるこのプロセスは困難でエネルギーを大量に消費するが、気候変動を緩和するために求められている技術だ。宇宙飛行士が空気から二酸化炭素を分離する方法と、どれだけの量を回収できるかという疑問は、まだ解決されていないとホフマン氏は言う。このプロセスは月の土壌から採取した水と金属にも依存するが、これもまた課題だ。

研究チームは合成光合成を利用してこのプロセスを推進するつもりだが、ホフマン氏は小さな太陽電池アレイが往復の旅程に必要な燃料を生成するのに十分な電力を供給できるかどうか確信が持てないという。

ホフマン氏は、火星探査車パーセベランスに搭載された、火星の二酸化炭素から酸素を生成するための MOXIE 実験に取り組んだチームのメンバーだった。MOXIE 実験では、大気中の二酸化炭素から「1 時間あたり数グラムの酸素を生成する」ために、小型の真空を作動させるのに十分な 300 ワットの電力が必要だとホフマン氏は言う。最終的に得られる酸素は、数回呼吸するだけの量の酸素だ。

月の昼夜サイクルを利用して反応物を加熱・冷却し、プロセスの一部を推進するなど、新しい月の研究にはいくつかの巧妙なアイデアがあると、大学宇宙研究協会の月惑星研究所で月の表面と地質を研究している惑星科学者のジュリー・ストーパー氏は言う。課題は「規模を拡大して実用化する方法を見つけること」だと彼女は言う。

このようなシステムを月面で現地の資源のみで機能させるには、探査者が適切な割合の原材料を供給でき、その過程での廃棄物を最小限に抑えることができなければならないと彼女は言う。最終的には、スケールアップできることを証明する必要がある実験室実験であり、月のような条件に合わせて何度か修正や調整が必要になるかもしれない。研究チームは、宇宙飛行士がこのプロセスに必要な水を永久影に覆われた月のクレーターの領域から得ることができると想定している。

[関連: 科学者らが約50年ぶりに新たな月の岩石を発見]

「まだ正確な情報はわかっていません」とホフマン氏は言う。水の量や、水がどの程度手に入りやすいかについては。水は水和鉱物や氷の結晶の形をしていたり​​、塊になって濃縮されていたり、不便なほど離れた場所に堆積して分散していたり​​する可能性があるという。NASA は、危険なクレーターから離れた平坦な着陸地点を希望しているが、そこは水が有用な量存在する可能性がある唯一の場所でもある。

たとえ入手可能な水が存在したとしても、氷を採取するには「絶対零度より40～60℃高い、非常に寒い地域での採掘作業」が必要になるとホフマン氏は言う。「現時点では、そのような温度で稼働する機器はありません」

月や火星の現地資源の利用にはNASAの「長期にわたる取り組み」が必要だとストパー氏は言う。現在NASAはそのようなプロジェクトの設計を練る初期段階にあるとストパー氏は言う。

ストパー氏は、宇宙機関は地球外物質に関して、例えば月の表土から放射線シェルターを建設するといった、より単純な目標から始めることができると考えている。そうすれば、それらの機関は小規模ではあるが、月の土壌を水に加工する方法を実証できるだろう。他の惑星での採掘は非常に困難だが、MOXIEはすでに火星の大気から燃料を作ることが可能であることを示している。

近い将来、NASA は火星への帰還に必要な酸素をすべて送るかもしれない。しかし、NASA は文字通り「代償を払う」ことになる、とホフマン氏は言う。火星で燃料を生産するよりは、輸送する方がリスクは少ないが、数十億ドルの追加費用がかかる。しかし、ホフマン氏はひとつ確信している。NASA が火星探査プログラムを持続的に実施するなら、遅かれ早かれ宇宙飛行士は地球から遠く離れた場所で見つけたものを使い始めなければならないだろう、ということだ。