月面基地を建設するには、どのような問題を解決する必要がありますか?

月面に長期基地を建設するには、宇宙飛行士が基地内で安全に生活し、働くことができることを確保するとともに、長期的な持続可能性も考慮する必要があり、これには多くの実際的な問題が伴います。

ベゾスの月面着陸船

水のための場所

月面に長期有人基地を建設するには、まず水供給の問題を解決しなければなりません。月の表面は低地球軌道ではありません。水問題を解決するために地球から継続的に貨物宇宙船を打ち上げることに頼るのであれば、少数の人々の生活と探査しか支えることができません。大規模な基地を支えることはできず、突発的な災害に対応する能力もありません。処理プロセス中に必ず水の損失が発生するため、水のリサイクルではすべての問題を解決することはできません。最良の方法は、採掘可能な水資源を月で見つけることです。問題は、そのような場所が存在するかどうかです。

最初の選択肢は、月の南極にあるエイトケン盆地のシャクルトンクレーターの縁の場所だ。 2006 年 12 月 4 日のブリーフィングで、NASA 探査システムミッション局の副局長ダグ・クック氏は、このエリアは 75 ～ 80 パーセントの時間照らされており、永久影の領域に接していると述べた。後者には、抽出して使用できる揮発性物質（水氷）がいくらか残ります。

NASAは、月の南極または北極に基地を設立し、6か月ごとに交代で宇宙飛行士を長期駐留させる計画を発表した。当時の研究では、月の極地クレーターには水の氷があることが示唆されており、前哨基地は現地で採取した水を使って活動を維持できる可能性があるとされていた。前哨基地の設計には、居住モジュール、太陽光発電装置、非加圧月面探査車、現地資源利用 (ISRU) ユニット、月面輸送車両などの要素が含まれています。

民間人が提案した月面着陸船＋月面基地統合計画

NASAは、月の北極近くにあるパイル・クレーターの縁と、マラパート・クレーターの縁にあるマラパート山脈の2カ所を他の候補地として提案している。

しかし、月の極地では、太陽風がクレーターの端の風下側に電荷を発生させることがあります。結果として生じる電圧差は、電気機器に影響を与え、材料の表面化学を変化させ、材料の表面を腐食させ、月の塵が空気中に浮遊する原因となる可能性があります。そのため、月の赤道地域に基地を設立することを主張する人もいます。この場所では太陽風の入射角が大きいため、ヘリウム3の濃度が高くなる可能性があり、月面基地への電力供給に原子力発電所を利用できる可能性があります。赤道位置は月面からの離陸にも有利です。月の赤道は、基本的に地球の赤道面と、月が地球の周りを公転する黄道面と一致しており、地球と月の間の往復飛行の軌道修正は比較的小さい。

初期の人類の南極研究基地のように、居住モジュールを月面に直接設置するのが最も便利であることは間違いありません。しかし、月には地球の電離層のような保護がありません。どのような材料を使用して作られたとしても、宇宙線や太陽風にさらされた人工施設はすぐに老朽化し、故障してしまいます。さらに、地球から月へ送ることができる人工物質の重量と体積には限りがあり、月面居住モジュールを保護するのに十分な厚さを提供することができません。

洞窟と溶岩洞

月の表面の環境は厳しいですが、地下で生活することは可能なのでしょうか？月面の日中（約 354 時間）の平均気温は約 107°C で、最高気温は 123°C です。夜間（354時間）の平均気温は約-153°Cです。しかし、月の内部の温度と圧力は深さとともに増加します。地下施設では昼夜を問わず気温が-23℃前後になります。電気ヒーターを使用すると、人間が快適に過ごせるレベルまで温度を調節することができます。

地下に隠された月面基地

月面の地下基地は、放射線や微小隕石の攻撃を効果的に回避できるだけでなく、空気漏れのリスクも大幅に軽減します。しかし、地下基地の建設はより複雑になる可能性があります。まず、掘削作業を行うには、建設機械を地上から遠隔操作する必要があります。掘削が完了したら、崩壊を防ぐために何らかの硬化処理を行わなければなりません。この技術はすでに比較的成熟しています。洞窟の壁にコンクリートのような物質を吹き付けることもできます。固化後は強度が保証され、その後多孔質絶縁材を吹き付けて密閉することができます。月面の現地資源を活用する技術が進歩すれば、上記のような材料も現地で製造できるようになる。一部の学者は、建設が完了すると同時に洞窟の壁のガラス化が達成できるよう、「作業に合わせて作る」機械の使用を提案している。地球上の鉱山の鉱山室や柱などの方法を使用できると示唆する人もいます。まず、比較的大きな洞窟を掘り、その中に柔らかくて膨らませて密閉できる居住小屋を設置します。こうすることで、洞窟内に小さな漏れがあっても、居住室内の気圧と温度を正常なレベルに維持することができます。このようにして、最終的には地下都市を建設することができるようになります。このアイデアを利用すると、洞窟の上に人工太陽を設置して、地下農場に太陽光を供給することができます。

月面基地の農場

人工の地下施設に加えて、月には自然に形成された洞窟もいくつか見つかると予想されています。月はもともと大きなマグマの塊で、それが固まって現在の月を形成しました。したがって、これらの洞窟は、一般的に、マグマの体積が徐々に減少する凝固の過程で形成される空洞です。月の研究専門家はこれを溶岩洞と呼んでいます。このような溶岩洞は火星にも存在する可能性があると考えられています。

これまで、人間が月に打ち上げた探査機で本物の溶岩洞が発見されたり調査されたりした例はなく、アポロ月面着陸の際、宇宙飛行士たちはこの種の地形を探しませんでした。月を周回する探査機の中には、溶岩洞と思われる地形の画像を撮影したものもあり、月面基地を建設するための天然の洞窟が見つかる可能性があると示唆している。

適切な溶岩洞が発見されれば、月面基地の建設に大きな利益をもたらすだろう。溶岩洞窟により、基地施設や宇宙飛行士は月面の過酷な環境を避けることができ、頻繁な隕石の衝突、高エネルギー紫外線、高エネルギー粒子による攻撃を受けることもありません。空調設備の負荷は月面ほど重くありません。もちろん、人工洞窟を掘るという膨大な土木作業の負担も軽減されます。

人工山

では、月に人工の山を建設することは可能なのでしょうか?この目的のために、多くの研究者が、まず人工施設を建設し、それを月の土で覆うという、いわゆるダブルドーム計画を提案している。米国の研究によると、月の主成分は二酸化ケイ素と鉄を含む化合物である。強力なマイクロ波ビームで加熱できれば、溶融して凝縮し、ガラス状の固体を形成できます。バラコックという名の科学者は、この「月のガラス」は非常に優れた機械的特性を持ち、堅固な構造物を作るための有望な材料であると考えている。月の土は「月のレンガ」に焼いて金属のフレームの上に載せることもできる。

3Dプリント技術の登場以来、それは当然のことながら、月科学者の間で最も関心の高い建設技術の1つになりました。 NASAに加えて、いくつかの民間企業も月面3Dプリント技術を設計している。フォスター・アンド・パートナーズという会社の調査によると、建築資材を月の表土から作り、膨張式居住キャビンで覆えば、建設プロジェクト全体の構造資材のわずか10%を地球から輸送するだけで済むという。具体的には、この技術では、月食と酸化マグネシウムを混合し、結合剤を使用して「材料を石のような固体に変換」します。この 3D プリント プロトタイプの性能は、1 週間以内に家を建てるのに十分なものだと言われています。

NASAは3Dプリントを使って月に家を建てる計画

月面基地の床も3Dプリントされている

電源

月面基地を建設するにせよ、そこで生活するにせよ、人々は十分な電力を供給する必要があります。これまで月面探査では、化学電池、太陽電池、放射性同位元素電源の 3 種類の電源が使用されてきました。アポロ月面着陸の際には、月面探査車や掘削ツールに化学電池が使用されました。アポロ計画の各ミッションにおける月面での活動時間は非常に限られていたため、化学電池で十分でしたが、長期間の月面活動の電源として使用することは絶対にできませんでした。

月には大気がなく、太陽光が大きなエネルギーで直接表面に当たります。したがって、月の昼間であれば、太陽光発電は問題になりません。さらに、太陽光パネルの製造に必要なシリコン材料や、太陽光パネルのブラケットに必要な鉄やアルミニウムは月面で採掘できるため、その後の月面基地の段階的な拡張に大きな利点がある。太陽エネルギーを使って熱を発生させ、スターリングエンジンを使って電気モーターを駆動することを提案する人もいます。しかし、月の昼は長いですが、月の夜もまた非常に長いのです。継続的な電力を得るためには、極地に太陽光発電所を設置したり、月面基地に大容量の燃料電池を設置したりする必要がある。燃料電池技術はスペースシャトルで効果的に使用されており、地球の17日間まで稼働することができ、月夜の発電需要を上回ります。今日の陽子交換膜（PEM）燃料電池はスペースシャトルの技術よりもはるかに進歩していますが、PEM が宇宙を飛行したことはありません。いずれにせよ、燃料電池と太陽光発電を組み合わせることで、持続可能な電力源を提供できる可能性が高まります。月の静止軌道に発電衛星を配置すれば、月夜の心配はなくなるだろうとさえ言う人もいる。しかし、月の静止軌道は月面から非常に離れているため、ビームの発散問題は非常に深刻です。

日本の月面基地構想

月面の環境は過酷です。たとえ月の土の厚い層で覆ったとしても、宇宙線、特に高エネルギー粒子を完全に遮断することはできないかもしれません。そのため、放射線を遮蔽するために人工磁場を構築する必要があると提案する人もいます。これには月面基地のための強力な電力供給が必要であり、太陽光発電所がその要件を満たせるかどうかはやや疑問である。したがって、月に原子力発電所を建設することは合理的であると思われます。しかし、必要な投資や克服すべき技術的な困難も想像できます。

2000年にNASAが提案した核分裂表面発電（FSP）プロジェクトによれば、低温ステンレス鋼、液体金属冷却原子炉技術、スターリング発電機を使用して月面で発電できるという。 2010年までにFSPの主要コンポーネントのテストが完了し、非核システムの実証テストが断続的に進行していました。 FSPは安定して40キロワットの電力を発電することができ、これは地球上の一戸建て住宅約8軒分の電力消費量に相当する。この原子炉は宇宙飛行士への放射線を避けるために月面下に埋められています。塔状の発電機部分は原子炉表面より上に伸び、傘状のラジエーター部分は月面から伸びて廃熱を直接宇宙に放射します。

先ほど、放射性同位元素熱電池についても触れました。ロシアは現在、原子力電池のリーダーです。このタイプのバッテリーは構造がシンプルで可動部品がないのが特徴ですが、発電能力が比較的低いため、月面基地のバックアップや緊急電源として使用できます。

基地と輸送

上記の議論から、どの基地の位置も絶対的に完璧ではないという問題が分かります。では、人類は月面の複数の異なる場所に基地を設立し、さまざまな任務を遂行できるのでしょうか?月の鉱物探査が成功し、重要な豊富な鉱山が発見されれば、複数の基地を開設する必要性はさらに明らかになるだろう。そのため、科学者たちは月面輸送の問題について議論し始めました。明らかに、月面車を通勤や輸送に使うのは遅すぎるので、鉄道はどうでしょうか?月面では空気抵抗がなく、重力も比較的小さく、土地収用や撤去といった面倒な問題を心配する必要もありません。中国が得意とする高速鉄道は整備条件も良く、貨物列車でも飛行機並みのスピードで走れる！もちろん、乗客がオープントレインで宇宙服を着用したくない場合は、鉄道車両に生命維持システムを設置する必要があります。

基地から遠く離れた場所で調査を行いたい場合や、月面探査車が遅すぎる場合は、飛行機で行くことも検討できます。月には空気がないので、当然ながら空気力学の原理を利用した飛行機は使えません。そのため、科学者たちは長い間ジェット機を思い描いており、アメリカのベル・エアロシステムズ社もかつてそのようなコンセプトを提案したことがある。もちろん、マスク氏のステンレス製ロケット「スターシップ」が本当に開発に成功し、宇宙に到達できれば、こうした作業も可能になる。

マスク氏の「スターシップ」は月面での長距離移動の手段として利用できる

地球と月の通過

この記事の焦点は月面基地ですが、月面基地を建設するための前提条件、つまり月面宇宙船についても議論する必要があります。厳密に言えば、中国もアメリカもロシアもまだ月着陸宇宙船を開発していない。米国のアポロ宇宙船はとっくの昔に行方不明になっており、ソ連の月探査機も単なるPPTに過ぎない。中国、米国、ロシアは現在、地球と月の軌道の間を移動できる有人宇宙船を開発している。最も先進的な宇宙船はオリオン宇宙船です。 2004年に提案されたこのモデルはすでに宇宙飛行を行っています。実際に月まで飛行できるかどうかは、SLSロケットの開発の進捗次第だ。

中国の新世代有人宇宙船も2020年初頭に飛行を実施した。その後の開発の進展も、より高性能なロケットの開発成功を待つ必要がある。対照的に、ロシアの新世代宇宙船「イーグル」の進捗状況は心配だ。これまで人々が目にしたのは単なる模型であり、エンジニアリングプロトタイプはまだ公開されていません。ロシアは2020年に2024年に初飛行を達成すると公表した。実際に達成できるかどうかはまだ分からない。