火星の土を使って火星に家を建てるNASAの計画の内幕

ジェフリー・モンテスは、土の床のアリーナの真ん中にある梯子の高いところに立ち、世界最大の花瓶のように見えるものの眼を細めて見つめている。彼のカーキ色のズボンと黒い T シャツは、赤い粘液を使って、将来火星に家になるかもしれないものの 3 分の 1 スケールの模型を建造している人にしては、驚くほどきちんとしている。清潔さは、汚れ仕事をロボットにアウトソーシングすることで実現する。

モンテス氏と建築会社 AI スペースファクトリーの同僚たちはイリノイ州ピオリア近郊の巨大な展示ホールで、宇宙飛行士が 3D プリントと火星の材料を使って赤い惑星に家を建てる方法を NASA に説明している。特注のプリンターが「マーシャ」と呼ばれるチョコレート色の住居を噴出させる様子を 30 時間近く見守った後、NASA が 3D プリント住居コンテストで終了時間を迎えるまであとわずかとなった。50 万ドルの賞金を争う同社の唯一の競争相手であるペンシルベニア州立大学のチームは、その数分前に灰色のコンクリートの二重イグルーを完成させていた。

火星の住居を思い浮かべると、そのような形が思い浮かぶかもしれない。だが、17カ月かけてマーシャ（火星居住用）とそれを印刷するための装置を設計した建築家のモンテス氏は、もっと瓶のようなものを思い描いている。あるいは壷、あるいは卵。「外側は男根のような、両性具有的な性質さえ持っていて、内側は…」彼は少し間を置く。「男根の反対が何であれ」（ヨニック）。内部では、モンテス氏は赤い惑星の住人が生活し、働き、遊ぶ数階と、星空を眺めたり、火星の薄い大気を通して屈折した日光を浴びたりする天窓を思い描いている。しかし、それはまだ柔らかい15フィートの構造物の上に丸い窓を固定することを意味する。混合物はすぐに固まるが、NASAの迫り来る期限に間に合うほど速くはない。プリンターのノズルが高くなるにつれて、マーシャの上層部がほんの少し下がります。

ロボットは3分を残して作業を終え、ポリカーボネート製の天窓を所定の位置にゆっくりと設置する。残り数秒で、NASAの撮影クルーを含む数十人が見守る中、モンテスは天窓を解放するよう命令する。全員が息を詰めて、マーシャが屈服しないことを祈る。

火星に定住する人々は、ある程度、その土地で生活しなければならない。最も近い隣の惑星は、3,500 万マイル離れている。現在の技術では、物資を火星に輸送するには 1 ポンドあたり約 5,000 ドルの費用がかかり、少なくとも 6 か月かかる。可能であれば、新しい居住地の天然資源を活用する方がよい。これは、現地資源利用と呼ばれる手法だ。「ミッションのロジスティクスが完全に変わります」と、欧州宇宙機関で 3D プリントなどのプロセスを開発している材料エンジニアのアドヴェニット・マカヤ氏は言う。「すべての物資を持ち込む必要はありません」。

火星に住む人類は、太陽から電力を引き出し、地中の氷から水を採掘し、大気から酸素を採取するかもしれない。NASA の支援を受けて、建築家、エンジニア、科学者らは、初期の住民がリサイクル廃棄物や、レゴリスと呼ばれる火星のゆるい岩石や塵をどのように利用して道具を作ったり、家を建てたり、発射台や道路を舗装したりできるかを研究している。

探査車や探査機によって、火星の地質について十分な情報が得られ、それがどのように機能するかを解明し始めることができるようになった。表面には、地球で見つかる鉄、マグネシウム、アルミニウムなどの有用な金属が豊富に含まれており、科学者たちはまた、地殻はハワイの乾燥した溶岩原のように、主に火山性の玄武岩でできていると考えている。

地球上では、研究者は火星のレゴリスの類似物として、砕いた玄武岩をよく使う。砂質の材料を加熱して圧縮する「焼結」というプロセスで、舗装タイルを作ることができる。NASAと太平洋国際宇宙探査システムセンターは2015年にまさにそれを実行し、その後、ロボット探査車ヘレラニに舗装タイルを使って直径66フィートの発射台を建設させた。カリフォルニア大学サンディエゴ校のユー・チャオ氏が率いるチームによると、圧縮されたレゴリスは熱がなくてもまとまる可能性があるという。2017年の研究では、火星にさび色を与えている酸化鉄が結合剤として機能している可能性があるとしている。

それでも、ブロックよりも複雑なものを作る場合、レゴリスは厄介な問題になる。粘土の扱いやすさに寄与する可塑性が欠けているからだ。欧州宇宙機関のマカヤ氏チームとノースウェスタン大学の研究者はそれぞれ独立して作業し、ギアやブロックなどのツールや小さな物体を印刷した。しかし、彼らの方法では、レゴリスを溶剤や粘着性のある結合剤と混ぜる必要があり、これらはすべて地球から運ぶか、火星で作らなければならない。

ベルリン工科大学の材料科学者で博士課程の学生であるデイヴィッド・カールは、もっと簡単な方法があると考えている。彼は、電子機器、生体医学的インプラント、その他の用途向けの高度なセラミックを作成する研究室で働いている。芸術のバックグラウンドを持つカールは、「セメントは顕微鏡で見ると信じられないほど素晴らしい」などとよく言う。数年前、彼と指導教官のアレクサンダー・グルロ（研究室の責任者でもある）は、宇宙飛行士が宇宙から運ばれてきたものを追加することなく、レゴリスを使用する方法について考えた。彼らは、その謎を解こうとするすべての人が古代の解決策を見落としていることに気づいた。それは、世界中の人類が少なくとも3万年前から土器を作るために行ってきた、材料と水を混ぜるという方法だった。

彼らは、スリップキャスティングと呼ばれる比較的単純な陶器製造法に目を向けた。これは、粘土と水を混ぜたドロドロの混合物（スリップ）を石膏の型に流し込み、固めるというものである。次に、余分な材料を捨て、対象物を取り出して窯で焼く。カールとグルロは、粘土の代わりに、NASAが1998年に開発したJSC-Mars-1Aと呼ばれる模擬レゴリスと、ベルリンの王立磁器工場の丸い型を使って試した。「ここで一緒に働いているエンジニアたちに、大きなプロジェクトとして馬鹿げた花瓶を作るよう説得するのがどれほど大変だったか、想像もつかないでしょう」とカールは言う。

彼らが作った滑らかでずんぐりとした花瓶は素焼きの土に似ていて、花をいっぱい入れても違和感がない。カールは、別の惑星の水耕栽培ガーデンで、このような容器から緑が芽吹くのを思い描いている。また、このプロセスを改良すれば、宇宙飛行士が3Dプリンターの助けを借りて、火星の泥をより複雑な形に鋳造できるようになるかもしれないと考えている。

カール氏の花瓶は、火星の住民が日常の品々をどのように作るかを垣間見せてくれるが、NASA は建築家やエンジニアに、先駆者たちが住む可能性のある場所について考えてほしいと考えている。4 年前、NASA は彼らに 3D プリント住居チャレンジへの参加を呼びかけていた。

参加者は、段階的に難易度が増す 3 つのフェーズを勝ち抜いていった。2015 年に完了した最初のフェーズでは、各チームが居住空間の建築レンダリングを作成するよう求められた。2 年後、参加者は住居を 3D プリントするために必要なツールを開発し、住居を建てるために必要な梁、ドーム、その他の構造要素を作成する必要があった。コンテストが進むにつれて、参加チームは入れ替わり、今年最も難しい最終イベントに残ったのはわずか 2 チームだった。

76ページに及ぶルールでは、各グループが30時間以内に、少なくとも3つの開口部がある4人用住居の3分の1スケールの模型を印刷することが求められた。審査員は模造レゴリスなどの材料の使用に対してポイントを与えたが、コンテストでは自動建設が重視されていたため、プリンターのソフトウェアをいじったり、詰まったノズルを取り除いたりするなどの介入に対しては減点された。

NASAはロボット建設作業員というアイデアを気に入っている。人間が到着する前に住居を準備できるからだ。建築家のシャディ・ナザリアン氏は、3Dプリンターを使って地球上でより耐久性の高い住宅を建てる方法を研究する仕事を通じて、火星の住宅設計にたどり着いた。彼女はペンシルベニア州立大学で、ガラスとコンクリートなど異なる材料をシームレスに移行させる方法を研究する研究室を率いており、この技術を使えばコーキングやエポキシを必要とする接合部をなくすことができる。このような技術は、構造物が強い加圧に耐え、極寒の温度や太陽放射から住人を守るのに十分な強度を持たなければならない赤い惑星では便利だろう。そこで彼女は、同僚の建築家ホセ・ドゥアルテ氏と電気技師のスヴェン・ビレン氏とともに、2年前にNASAのコンテストに応募した。彼らの頑丈な円錐形の住居は、タトゥイーンの家やイタリアの田舎にある何世紀も前の石造りのトルッロ小屋のように見える。

ペンシルベニア州立大学のライバルであるAIスペースファクトリーの主任宇宙建築家であるモンテス氏は、2017年に同社に入社した後、同社に参入を勧めた。世界で最も高いビル3棟の設計を手掛けた経歴を持つデビッド・マロット氏は、建設業界における無駄と考えるものへの対応として、ニューヨークの同社を設立した。宇宙の設計では、地元の材料と持続可能性を重視し、宇宙飛行士の心理的ニーズを予測する必要がある。マロット氏は、そのような原則が地球上でどのように機能するかを示したいと考えている。

こうした懸念はマーシャに反映されている。モンテスがタワーを好んだのは、使用可能なスペースを最大化するためだ。また、タワーの形状はフロアに簡単に分割でき、外側ではなく上に向かって建てていくため、3D プリントに適している。彼は、天窓、湾曲した壁、スイスチーズのような内部シェルが、遠い世界の日常生活に多様性と特異性をもたらすと考えている。

マーシャの外殻のモデルを作るには、まず3Dプリンターとそこから吐き出される粘液の開発に何カ月も費やす必要があった。モンテスのチームは、既製のノズル（エクストルーダーと呼ばれる）をグリッパーや各種センサーで改造した巨大な機械を作った。彼らはそのハードウェアすべてを、自動車の組み立てラインでボディの溶接や塗装に使われるロボットアームに取り付けた。コンピューターの指示に従って装置が層ごとに塗り重ねる「インク」は、バクテリアによって増殖したリサイクル可能なプラスチックと、理論的には火星の岩から採取できる微細な玄武岩繊維の混合物だ。「材料がにじみ出るだけでも幸せな日でした」とマロットは言う。

2019年5月の競技初日、居住地建設は厳しいスタートを切った。チームは重機メーカーのキャタピラーが所有する巨大な展示ホールで作業した。同社は通常、このスペースを土木機械などの大型機械のデモンストレーションに使用している。アリーナは一時停電し、チームのプリンタープログラムに問題が生じ、不安定な押し出しのトラブルシューティングが時々必要になった。審査員は、最終イベントまでの各段階を監督したNASAのモンシ・ローマン氏に、失望する準備をするよう控えめに警告した。しかし、1日以内に両チームは勢いを取り戻し、プリンターの魅惑的な音に惹かれて、会社の従業員や校外学習の学生が、断続的に建造物が上がる様子を見守った。

ペンシルベニア州立大学のチームは、押し出し機を装備した産業用ロボットアームを使用したが、火星の極寒の環境向けに設計されたこの材料が室温ですぐに固まりすぎたため、MarsCrete と呼ぶ材料で建造する計画を断念した。チームは従来のセメントで作ったコンクリートに切り替えたが、機械が停止したり一時停止したりする時間が長すぎると、混合物が装置を詰まらせてしまう。「コンクリートで印刷するのは、とても、とても難しいのです」と、審査員の一人である惑星地質学者のジェニファー・エドモンソンは言う。それでも、チームは最も高い構造物を予定より 11 分早く完成させた。機械が居住区を密閉すると、歓声が沸き起こった。その 13 フィートの双子の峰がソフトクリームの大きな渦巻きに似ていることから、一部の観衆はそれをデイリークイーンと呼ぶようになった。

マーシャの質感は古いセーターのようで、塊や縫い目、緩んだ糸のそれぞれが、層形成の途中で中断またはずれがあったことを示している。モンテスはロボットをゆっくり動かして変形を最小限に抑えようと最善を尽くしたが、時間が経つにつれてその余裕はなくなった。残り数秒で最上部が垂れ下がってきたので、モンテスは天窓を外すよう指示した。壁はしばらく持ちこたえたが、縁が内側にたわみ、窓は床にドスンと落ちた。モンテスはためらいがちの拍手の中、はしごを降りた。「ドラマが欲しければ、ドラマがある」と、彼はNASAの撮影クルーに言った。

AI SpaceFactory はいくつかのカテゴリーで高得点を獲得し、ペンシルベニア州立大学のチームよりも自動プリントへの介入が少なかったにもかかわらず、転倒で優勝の可能性がなくなったのではないかと考える人もいた。居住施設を一晩乾燥させた後、審査員は数時間かけて容赦なく叩き、気密性、耐衝撃性、強度を確認した。デイリークイーンは模擬隕石衝突の間、驚くほど頑丈であることを証明し、どんどん重くなるボールの集中砲火に耐え、最後の 26 ポンドのボールが屋根の一部を吹き飛ばした。さらに印象的なのは、この構造物が 96 トンの掘削機の垂直方向の圧倒的な攻撃にも耐えたことだ。少なくとも数分間は耐えたが、その後、投手がストライクを投げたときの衝撃音とともに崩壊した。

厳密に言えば、マーシャは屋根がないので不完全だった。明らかに気密性はなかった。コンテストの役員がテスト用のフレアを放り込んだとき、居住地は色とりどりの煙を大量に噴き出した。審査員は、模型の上へ偽の隕石を落とすことにも意味がないと判断した。しかし、模型は掘削機にわずかな破片を譲り渡しただけで、掘削機はマーシャの縁にバケットを置き、ゴロゴロと音を立てる機械の履帯の前部を地面​​から浮かせるほどの力で押し下げた。

数時間かけてメモを確認し、ポイントを集計した後、審査員は AI SpaceFactory を優勝者に指名した。モンテス氏は、50 万ドルの特大小切手をチームメイトと手に持ち、にっこり笑っていた。NASA のローマン氏も、この建造は大成功だと考えているが、それと同じくらい満足そうだった。傷はあるものの、この住居はおそらく、別の惑星にある住居がどのようなものかをこれまでで最も具体的に示すものだった。「完璧ではないけれど、美しい」と彼女は語った。

このストーリーはもともと『Popular Science』誌の『Out There』号に掲載されました。