宇宙で食料がなくなったらどうすればいいでしょうか？もしかしたら小惑星を「食べる」こともできるかもしれません！

制作：中国科学普及協会

著者: 地球の重力

プロデューサー: 中国科学博覧会

編集者注：中国の先端技術プロジェクトは、認識の限界を広げるために、「未知の領域」と題する一連の記事を立ち上げ、深宇宙、深地球、深海などの分野で限界を突破した探査結果を概観しています。科学的発見の旅に出て、驚くべき世界を知りましょう。

宇宙飛行士はどこで食べ物を手に入れるのでしょうか？

現時点では、人類にとって長期の宇宙旅行は依然として非常に困難です。狭い空間が宇宙飛行士に心理的ダメージを与える可能性があることに加え、宇宙船の限られた積載量の中で人員、水、空気、食料のバランスをどう取るかも大きな問題です。

生命維持に必要なこれらの物質が地球によって完全に補充されてしまうと、莫大なコストがかかるだけでなく、宇宙探査も遠くまで行かなくなる運命にあることを意味します... たとえば、科学的研究によると、火星へのミッションに参加する 6 人の宇宙飛行士に必要な食料の重量は 12 トン (梱包の正味重量を除く) になり、輸送コストが低い SpaceX でさえ、ペイロード 1 キログラムあたりのコストは 2,720 米ドルにもなります。

もし火星の有人探査がまだ少しの努力で達成できるものであるならば、将来、木星や土星、さらには太陽系の外縁部など、より遠い惑星を探査するコストは非常に高くなり、まったく支払えないものとなり、物資の供給も遅れることになるだろう。

このため、宇宙食の研究は止むことなく続けられています。例えば、現状で最も簡単に実施できる宇宙農場、つまり宇宙ステーションや宇宙船内で直接植物を栽培・収穫する宇宙農場は、中国と米国の2つの宇宙ステーションで何度も実験されており、宇宙でさまざまな野菜が栽培されてきました。アメリカの宇宙飛行士たちは宇宙で育てたレタス、ニンジン、ピーマンなどの野菜を食べたこともある。

中国の宇宙ステーションで栽培された野菜

（写真提供：CCTV）

野菜だけでなく、藻類やキノコ、昆虫なども宇宙で栽培しようとする試みも行われています。しかし、これらの飼育・植栽設備は、動物や植物が設備内で正常に生育できるよう、地球の生態系をシミュレートする複雑な設計と長期にわたるメンテナンスが必要です。さらに、宇宙で食糧自給自足を実現するためには、現状の装備の出力では到底足りず、装備のサイズや数を増やす必要があるが、そうなると宇宙船上でかなりのスペースを占有してしまうことは間違いない。

国際宇宙ステーションの野菜栽培装置「Veggie」

(画像提供: NASA)

国際宇宙ステーションで栽培されたピーマン

(画像出典: ISS Research)

スペースとコストを節約できるより簡単な方法を見つけるために、一部の科学者は小惑星に注目し、小惑星から有機物を採掘し、簡単な処理を施した後にバクテリアに与えるという方法を取っています。細菌はそれを消化し、人間が食べられる有機物を形成します。

冗談じゃない、小惑星には有機物が存在しているんだ！

人類は何百年もの間、小惑星を研究してきました。当時は小惑星から直接サンプルを採取することはできませんでしたが、小惑星が自ら地球にやってくるのを妨げるものではありませんでした。毎年、大量の小惑星の破片が地球に落下し、これを隕石と呼んでいます。推定によれば、毎年落下する隕石の数は17,000個にも上る。

科学者たちは長期にわたる研究を通じて、隕石をその組成に応じて石質隕石、石鉄隕石、鉄隕石の 3 つの主要なカテゴリーに分類しました。隕石の特定の構造と組成に基づいて、これら 3 つの主要な隕石カテゴリは、さらに多くの隕石グループに分類されます。例えば、石質隕石は、その構造によってコンドライトとアコンドライトに分類されます。コンドライトとは、球状の粒子を含む隕石の一種を指します。統計によると、地球に落下する隕石の86%はコンドライトです。

アジェンデ隕石のコンドリュール

(画像出典: Wikipedia)

これらの隕石のコンドリュールは、太陽系の形成初期に星雲物質が冷却されることによって直接形成されたと考えられています。形成後、小さなコンドリュールが結合して小さな小惑星を形成し、それが互いに衝突して成長し、現在の太陽系の岩石惑星を形成しました。岩石惑星を形成できなかった小惑星は小惑星帯に集中しています。

地球に落下するコンドライトの割合が高いことから、小惑星帯のほとんどの小惑星の組成はコンドライトの組成と似ていると推測できます。コンドライトは太陽系で最も古い固体物質の一つであるため、太陽系の初期の歴史を研究する上で非常に重要です。科学者たちはコンドライトの研究に非常に関心を持っており、その組成と構造の詳細な分析を行ってきました。

彼らはコンドライトを15の異なる隕石グループ（CI、CM、CO、CV、CK、CR、CH、CB、H、L、LL、EH、EL、R、K）に分類し、その中でCで始まるものは炭素質コンドライトに分類されました。これらの隕石には非常に高濃度の有機化合物が含まれており、隕石によっては有機物が重量の約 5% を占めることもあります。

その中でも、深く研究されてきた炭素質コンドライトとしては、マーチソン隕石やタギッシュレイク隕石などがあります。科学者たちは、ケトン、アルカン、カルボン酸、アミノ酸、メタン、多環芳香族炭化水素など、さまざまな小分子有機物を発見しました。しかし、これらの有機物のほとんどは高分子有機物です。マーチソン隕石とタギッシュレイク隕石の主な有機成分を下の図に示します。

図: マーチソン隕石とタギッシュ湖隕石の主な有機成分 (画像提供: Homemade)

これらの有機物質が初めて発見されたとき、当然のことながら世界中で歓喜の声が上がり、人々は他の惑星にも生命が存在すること、さらには地球上の生命は他の惑星から来たものであると信じるようになりました。なぜなら、当時の人々は、生命のプロセスのみが有機物質を形成できると信じていたからです。しかし、その後すぐに詳細な研究により、化学反応によって自然条件下でも有機物が生成されることが判明しました。たとえば、アミノ酸の形成にはいくつかの単純な無機物質のみが必要です。

単純な無機物質からアミノ酸（右端の化学式）を形成するための化学反応式

(画像出典: Wikipedia)

さらに、これらの有機物質が自然の化学反応によって形成されたことを示す他の証拠としては、隕石と地球上の同じ有機物質との間に分子構造の違いがあり、その多くが異性体（同じ分子式で異なる構造）であることなどが挙げられます。キラリティーが異なるため、隕石中の有機物質は左利きと右利きの両方を持ちますが、地球上の生命によって形成された有機物質は左利きの構造のみを持ちます。

アミノ酸のキラリティーの模式図。それらの構造は鏡像対称ですが、平行移動によって重ね合わせることはできません。

（画像出典：上、Wikipedia、下、著者）

そして科学技術の進歩により、科学者たちは遠くの星雲の中に有機物質の信号を発見し始めました。これらすべては、有機物が宇宙に広く存在していることを示しています。今日では、隕石や宇宙に有機物が存在することは科学界では常識となっています。

そこで疑問なのは、どうすれば小惑星を「食べる」ことができるのか、ということです。

これらの隕石に最も多く含まれる有機物はプラスチックに似た大きな分子有機物であるため、それを直接食べることは明らかに非現実的です。そのため、科学者たちは最近実現したプラスチックの微生物処理実験を活用しました。この実験では、プラスチックを加熱（400～900℃）して熱分解し、高分子中の長鎖有機物を分解して一連の低分子量炭化水素を形成しました。その後、これらの炭化水素はバクテリアで処理されました。結果は、細菌がこれらの炭化水素を正常に消化し、大量に増殖できることを示しました。

科学者たちは、将来、宇宙飛行士が炭素質球状体を豊富に含む採掘された小惑星鉱物を熱分解法で処理し、その後バクテリアを使ってこれらの物質を消化するようになるだろうと考えている。細菌は非常に速く増殖するため、宇宙飛行士に十分な食料を継続的に供給します。

さらに、今年、科学者たちは実験を通じて、隕石を直接粉砕して粉末にすると、酸素が欠乏した状況下では、シュードモナス科の細菌の一部が隕石の粉末を直接利用して長期間生存し、繁殖できることを発見した。

これらの実験はすべて、バクテリアを使って小惑星を「食べる」こと、そしてバクテリアが作り出したバイオマスを人間が食べることが、宇宙食の有望な解決策となる可能性があることを証明している。

**小惑星がどれだけの有機物を提供できるかを調べるために、科学者たちは小惑星ベンヌ（101955 ベンヌ）を例として計算しました。 **ベンヌは人類が着陸してサンプルを採取した2つの小惑星のうちの1つです。もう一つはリュウグウ（162173 リュウグウ）です。ベンヌの直径は500メートル未満、質量は7760万で、その組成は炭素質コンドライトに似ています。

小惑星ベンヌ

(画像出典: Wikipedia)

計算の結果、小惑星ベンヌだけで生産されるバイオマスは、最低効率の条件下では631人の宇宙飛行士を1年間養うのに十分であり、最高効率の条件下では17,000人の宇宙飛行士を1年間養うのに十分であることがわかった。

変換後、科学者たちは、最も効率の低いシナリオでは、宇宙飛行士の1年間の食糧需要を満たすには、約16万トンの小惑星鉱物を処理する必要があることを発見した。最も効率の高いシナリオでは、処理する必要があるのは小惑星の鉱物 5,000 トンだけです。

小惑星ベンヌが供給できる食料の最小量（オレンジの枠）と最大量（赤の枠）を計算した。

（画像出典：参考1）

この研究は有望に思えますが、将来の宇宙飛行士が長期ミッションを遂行しながら本当に細菌で生き延びなければならないとしたら、少し悲劇的ではないでしょうか?

将来的にはさらなる調査が必要である

将来の宇宙飛行士の食糧源としての小惑星の潜在的価値を発見することは、従来の宇宙食糧供給システムにおける革新であるだけでなく、人類が極限環境に適応し、恒星間旅行の夢を実現するための重要な一歩でもあります。

もちろん、小惑星を食料源に変換するには、依然として多くの技術的課題と倫理的考慮点が存在します。未知と奇跡に満ちた宇宙探査の道を、心を開いてたゆまぬ努力で歩み続けていきましょう。おそらく近い将来、小惑星は宇宙を旅する孤独な旅人ではなく、宇宙を探索する人類の親しいパートナーとなるだろう。

参考文献:

1.Pilles E、Nicklin RI、Pearce J M.宇宙食糧のために小惑星を採掘する方法[J]。国際宇宙生物学ジャーナル、2024年、23：e16。