月の土レンガ：月に家を建てる第一歩

我が国の月探査プロジェクトが継続的に推進されるにつれ、月面に家を建てることも月探査プロジェクトの計画目標となっている。家を建てるには建築資材が必要で、「月面土レンガ」の研究も議題に上がっています。 2024年9月1日、「新学期最初の授業」という番組で、科学者チームが最新の非常に斬新な月の土のレンガを持ち込みました。

月面に家を建てることは不可能ではない

月面建設のアイデアは、人類が月面に着陸し始めたときに提案されました。 1969年、人類が初めて月面に着陸した後、世界中で月面建設技術の研究ブームが起こりました。当時提案された技術的な道筋は、すべて地上での開発、打ち上げ、そして月面への直接適用でした。 1993年から2018年にかけて、月面建設の研究がさらに発展しました。 NASAは「月面前哨基地」という概念を提案し、欧州宇宙機関は「月面居住地」という概念を提案した。主な技術的方向性としては、地上での研究開発、月面展開、月面拡張・維持に重点を置くことになります。

しかし、従来の建設と比較すると、月面建設が直面する問題と課題は非常に複雑です。まず第一に、弱い重力や強い放射線といった極限環境の課題を克服することです。第二に、月は超高真空環境にあり、300℃以上の温度差があります。従来の土木建設方法は実施がほぼ不可能であり、構造の安定性を保証することができません。さらに、コストが高いため、鉄鋼、コンクリート、水などの建設資材を地球から月まで輸送するのは非現実的です。さらに、守ってくれる大気がないので、宇宙線や太陽風、微小隕石などからの強い放射線が月面を襲います。同時に、マグニチュード2～3の月震が毎年約1,000回発生しています。これにより、月面建設資材の機械的特性、熱的特性、放射線耐性に関する厳しい要件が提示されます。

月面

人類共通のこの技術課題に直面して、中国の科学者たちは、既存の条件の下で月面の現地資源を最大限に活用し、成熟した地上建設技術を組み合わせ、革新的な方法で月面の人機協働建設システムを構築し、月面建設のインテリジェントな実施を実現するという独自の考えを提示した。

2015年、中国工程院の院士であり、国家デジタル建設技術イノベーションセンターの主任科学者である丁烈雲氏は、建築用3Dプリントにインスピレーションを受け、月面基地建設の研究チームを率い始めました。現在、海外の月面基地建設の技術的アイデアは高エネルギービーム3Dプリントだが、大型構造物を一度に成形することが難しい、エネルギー消費量が大きいなどの問題がある。この問題を解決するために、華中科技大学の研究チームは、中国の伝統的な石積みとほぞ継ぎの方法を活用し、中国の伝統的なレンガ作りと石積みの建設方法と3Dプリントの建設方法を組み合わせ、模擬月の土の粉末を使用してほぞ継ぎ構造の月の土レンガを焼き、ロボットを使用してそれを敷き詰めました。この方法では、1 つのブロックが誤って印刷された場合でも、影響を受けるのは 1 つのブロックのみです。この技術を基に、彼らは卵の殻のような二重ドーム構造の月面建築物のプロトタイプを設計し、「月虎尊」と名付けました。印刷と組み立てを担当する「中国のスーパーレンガ職人」、ムーンスパイダー印刷ロボットも設計中です。

ムーンポットズンのデザインスケッチ

「中国のスーパーレンガ職人」ロボットのプロトタイプ

良いニュースとしては、「月の土のレンガ」の模擬焼成が初期の成果を達成したことだ。同国初の「月面土レンガ」が完成し、宇宙曝露試験のため天舟8号で中国の宇宙ステーションに送られる予定だ。宇宙テストを完了した後、最初の「月面土レンガ」は2025年末に地球に帰還する予定だ。

月面土レンガを模した模式図

宇宙ステーションで検証された、これらの模擬月土レンガの 3 つの重要な特性には、住宅建設に最も関連する「月土レンガ」の機械的特性が暴露実験後に劣化するかどうかが含まれます。大きな温度差により「月の土レンガ」の熱特性にどのような変化が起こるか、その断熱性と保温性を理解する。そして、宇宙ステーションでの大量の宇宙放射線の影響を受けて「月の土のレンガ」が変化するかどうか。これら3つの主要な特性は、宇宙ステーションにおける「月土レンガ」の露出実験研究の焦点であり、中国のさらなる月探査に大きく貢献することになるだろう。

月面の現地建設に欠かせない材料、月面土レンガ

月の土は月の表面の土壌です。月面の現地建設技術は、月の土壌資源を最大限に活用し、現地で材料を入手したり、一度の供給後に自己循環を実現したりすることです。 「焼結レンガ製造技術」は、月資源の自給自足を実現するための重要な手段の一つです。中国の科学者チームは月面土壌の焼結を模擬した試験を実施し、真空焼結、不活性ガス焼結、空気焼結という3種類の月面土壌の焼結を模擬した試験を完了した。

その中で、模擬月の土壌は不活性ガス中での焼結強度が最も高く、100MPa以上に達します。真空焼結ではグラファイトの型を使用し、模擬月の土壌を計量する必要があります。模擬月土粉末を重量に応じて金型内部の直径18mmの空洞に充填し、グラファイトプレスで圧縮します。圧縮後、全体を組み立てます。その後、グラファイト型とともに真空焼結炉内に配置され、焼結されます。焼結炉の真空度は10のマイナス2乗Paに達します。主に電気加熱を採用しており、内部に10本のシリコンモリブデン加熱棒が配置されており、電源を入れると熱を発生します。炉内には模擬月の土と黒鉛が入れられており、真空を抜いた後にその熱を利用して放射熱で材料を加熱することができる。真空環境で月の模型レンガを一バッチ焼成するには約 24 時間かかります。もう一つの方法は、大気中での焼結です。これは、大気環境で月の土壌をシミュレートする焼結プロセスを指します。酸化防止の必要がない、または酸化に対して敏感ではない材料に適しています。

模擬月の土壌粉末

さらに、科学者チームは他の焼結実験も行いました。例えば、電磁誘導焼結炉を用いて焼結を行う。月の土壌材料はるつぼの中央に配置されます。電磁誘導焼結炉は電気エネルギーを熱エネルギーに変換することで、金型を加熱するために1000℃以上の温度まで加熱することができます。約10分で、長さ18センチの模擬月面レンガが焼き上がります。たとえば、一部の実験チームはフレネルレンズを使用して太陽光を一点に集中させます。将来的には、この地点に月の土を置き、焦点の高温によってレンガ状に焼結させる予定です。

月の土を焼結してレンガを作る技術の探求に加えて、これらの模擬月土レンガが月の過酷な環境に耐えられるかどうかも現在の研究の焦点です。ご存知のとおり、月面の最低気温は-196℃、最高気温は120℃です。これらの模擬月土レンガは、その性能が信頼できるかどうかを検証するために、月面環境のサイクル（1 サイクルは月の昼 14 日間と月の夜 14 日間を指します）のテストに合格する必要があります。

月に家を建てることは人類の偉大で美しい夢です。科学技術の継続的な進歩により、人類は月やさらに深い宇宙の探査に関して無限の想像力と可能性を持つようになるでしょう。

一部の情報は、ScienceNet、CCTV.com、Xinhuanetなどから得たものです。（科学レビュー：鄭永春、宇宙科学コミュニケーション専門家スタジオ）