将来の月面基地はどこに建設されるのでしょうか?火山の洞窟で→

SF映画では、現代的な工業的質感に満ちた月面基地がよく登場します。たとえば、次のようになります。

図 1 映画「アローン・オン・ザ・ムーン」に登場する月面基地 出典: 映画「アローン・オン・ザ・ムーン」

しかし、月面基地は本当にこのように見えるのでしょうか?必ずしもそうではありません。将来の月探検家たちは洞窟に住むかもしれない。

2022年末、中国の研究チーム（重慶大学先端技術研究所所長で教育部深宇宙探査共同研究センター執行副所長の謝庚新氏と北京宇宙機電子研究所研究員の郭林立氏による共同研究）が、月面の「火山洞窟」に大規模基地を建設するという構想を提唱し、大きな注目を集めた。

月面の「火山洞窟」は実際には溶岩洞です。溶岩洞窟の概念は、誰にとっても少し馴染みのないものであるかもしれませんが、その形成原理は実は非常に単純です。

火山から噴き出した大量のマグマが地表を流れると、急速な放熱によりマグマの外側がまず冷えて一定の厚さの殻を形成します。同時に、内部の高温のマグマは流れ続け、中空のパイプを形成します。このプロセスの継続的な作用により、マグマは流れながら殻を脱ぎ捨て続け、長い溶岩洞を形成します。

図2 流れるマグマ 出典: Wikipedia

溶岩洞は月に特有のものではありません。それらは地球を含む多くの惑星で発見されています。地球上で最大の溶岩洞窟は、韓国の済州島にある「万丈窟」です。長さは13キロメートル以上、高さは数十メートル、幅は10メートル以上あります。 20万年から30万年前の火山噴火によって形成されました。私の国、黒竜江省の静波湖火山岩地域にも溶岩洞窟が発達しています。東北抗日連合軍は、侵攻する日本軍と戦うために、ここを地下要塞として利用した。

図3. 韓国済州島の万丈窟溶岩洞窟（左）、景福湖火山溶岩洞窟（右） 出典：文献[2]

月の重力は地球よりも小さいため、マグマが流れても崩壊する可能性は低く、そのため月の溶岩洞の容積は地球よりも大きくなることが多い。

2009年、日本が打ち上げた月探査機が直径数十メートル、深さ数十メートルの洞窟を3つ発見した。これらの洞窟は、溶岩洞が部分的に崩壊した後に形成された天窓であると考えられています。

図 4: 月の溶岩洞の天窓 (左)、月のクレーター (右)。溶岩洞の天窓は火口とは全く異なっていることがわかります。火口と比較すると、溶岩洞の天窓は周囲に目立った突起がなく、内部に傾斜もありません。 （画像出典：参考文献[2]、Wikipedia）

2011年、インドの探査機チャンドラヤーン1号が月の入り江を調査し、ここの溶岩洞の上部の幅が300メートル以上あることを発見した。 2017年、米国パデュー大学のブレア教授による数値シミュレーション結果によると、幅5キロメートルの月の溶岩洞窟は、特定の条件下では依然として安定した状態を保つことができることが示されました。 2020年、イタリアのパドヴァ大学のリカルド・ポッツォボン教授は、特定の条件下では月の溶岩洞窟の長さが40キロメートルを超える可能性があると述べた。

巨大な月の溶岩洞窟の幅は5キロメートル、長さは40キロメートルに達すると仮定すると、その底面積はなんと200平方キロメートルに達し、マカオ6個分に相当します。

図5 ブレア教授の数値シミュレーション結果 出典：文献[3]

基地を建設するときに溶岩洞を選択する理由は何ですか?

溶岩洞の概念を理解した後、2 番目の疑問が生じます。なぜ溶岩洞に月面基地を建設することを選択したのでしょうか?想像してみてください。突然、家もない寂れた場所に送られたら、どこで夜を過ごすことを選びますか?昔、人類の祖先は風雨から身を守ることができる洞窟を選んで暮らしていました。月面では、溶岩洞の洞窟も優れた保護機能を果たします。 5つの主要な機能を見てみましょう。

1. 環境の温度は比較的一定である

現在のところ、月の溶岩洞窟内の温度に関する測定データはありませんが、崩壊した洞窟の明るい部分と影になっている部分の温度測定により、月の表面と洞窟内の温度変化が示されています (下図参照)。図は、月の表面の温度が-170℃から110℃の間で、温度差が280℃あることを示しています。一方、光がない場合の内部温度は-20℃〜30℃で、温度差はわずか50℃です。

この気温変化の傾向から、研究チームは、月面基地内の気温が人間が普通に生活し、働くのに十分な20℃前後に保たれた場合、溶岩洞でのエネルギー消費は月面の5分の1にしかならないと計算した。

図6 崩壊した洞窟の明るい部分と影になっている部分の温度測定 出典：文献[2]

2. 宇宙線から身を守る

一部の科学者は、月面の1日の太陽放射線量は2シーベルトと推定しているが、これは人間が耐えられる限度の1,000倍以上であり、基地職員の生命に深刻な脅威となるだろう。カルストトンネルの頂上にある月の土壌は太陽光線を効果的に防ぐことができます。研究によれば、6メートルの厚さの月の土壌は放射線量をほぼゼロにまで減らすことができるそうです。溶岩洞は数十メートルの深さに埋まっていることが多いため、宇宙線から身を守るという利点があります。

図7 異なる深さにおける月の土壌の宇宙線に対する弱化効果 出典：文献[2]

3. 太陽風を避ける

太陽は太陽風と呼ばれる現象で、主に陽子と電子からなる高速荷電粒子を絶えず放出しています。太陽風が月に到達すると、太陽から離れた側の微細物質が負に帯電した月の塵を形成し、太陽に面した正に帯電した側に向かって移動します。この現象は日の出と日の入りの時に大規模に発生する可能性があり、人体と機器の両方に非常に悪影響を及ぼす可能性があります。 『流転地球2』では、人類が月面衛星のエンジンに点火するためにようやく月に持ち込んだ550Cコンピューターが、太陽風の影響を受けて完全に廃棄されてしまった。

図8 『流転の地球2』における太陽風による電子機器への被害 出典: 『流転の地球2』映画

溶岩洞の内部は永久的に影になっているため、太陽風によって月の塵が吹き込まれることはありません。それだけでなく、溶岩洞の天窓は月の塵の移動を監視するのにも適した場所なのです。

4. 隕石の衝突を防ぐ

隕石の衝突は月面基地にとって大きな脅威となります。研究によれば、宇宙服と厚さ1センチのアルミニウム板が月面に1年間さらされた後に粒子に貫通される確率はそれぞれ8％と30％である。溶岩洞の頂上にある月の土と岩石は、月面のほとんどの隕石を捕捉することができます。

図 9: 『アローン・オン・ザ・ムーン』に登場する「コズミック・ハンマー」の破片が月面基地に衝突 (隕石のほとんどは天体の破片です) 出典: 『アローン・オン・ザ・ムーン』映画

5. 水氷の可能性

月の表面は不毛の荒野のように見えることが多いが、探査により、月には水の氷があることが発見された。これは、太陽風中の水素イオンと、彗星の衝突によってもたらされた、またはマグマ活動によって運ばれた月の表面の酸素含有物質との反応によって形成された可能性がある。

2023年、科学者たちは嫦娥5号が収集したデータを分析し、月面の水分量は2,700億トンに達する可能性があるとする論文をネイチャー・ジオサイエンス誌に発表した。溶岩洞は永久に影になっている部分で、気温が非常に低く、地形も低いため、月面では水氷を採取することが可能です。大量の水氷が発見されれば、月面基地の建設が大幅に促進され、月面での人類の生産と生活が完全に保護されることになる。

図10 科学者は月のカベウスクレーターで水の氷を発見した（カベウス、左上） 出典：Wikipedia

月面基地を建設中？まず、地球の洞窟で実験をしましょう

人類は現在、月の溶岩洞窟に基地を建設する条件と経験が不足しているため、研究チームは独自のアプローチを採用し、重慶のカルスト洞窟を使用して月の溶岩洞窟をシミュレートし、内部で実験と工学的建設を行うことを提案した。

カルスト洞窟と溶岩洞窟の形成メカニズムは若干異なりますが、前者は一般的に炭酸塩岩の地下水浸食によって形成されます。地下水が日々、そして年々努力を重ねて、最終的に岩盤の穴を溶かしたことがわかります。一方、後者は、前述のように、熱いマグマが流れる際にその外層が冷却されて形成されます。しかし、この 2 つの洞窟は構造が非常に似ており、どちらも湾曲した半円形の洞窟です。環境の温度は比較的一定である。どちらも比較的閉鎖的な空間です。したがって、カルスト洞窟で実験シミュレーションを実施してみる価値はある。

図11 重慶のカルスト洞窟 画像出典：文献[1]

研究チームは3つの側面から実験を行う予定です。

まず、大量の人力や物資を月に送るのは現実的ではないことを考えると、月の土や岩石を使って自動的に月面基地を建設できるロボットを数台だけ送ることは可能でしょうか？そのため、インテリジェント建設技術や現場資源活用技術の実験が必要です。

第二に、月には空気がないことを考慮すると、閉鎖された月面基地に適切な動物、植物、微生物を導入して安定した生態系を構築し、地球と同じように基地内で人間が自由に新鮮な空気を呼吸できる可能性はあるでしょうか。そのため、人工生態系実験も行う必要があります。

第三に、基地の運営には安定したエネルギー供給が必要であることを考慮すると、基地を地球から月まで送るのはコストがかかりすぎるだろう。また、月面の太陽エネルギーやその他のエネルギー源を十分に活用することは不可能であるため、洞窟内に自動エネルギー制御システムを確立することも必要です。

図12 カルスト洞窟シミュレーションプラットフォーム 画像出典：文献[1]

SFか現実か？未来を信じて

しかし、アイデアは素晴らしいものの、実際に実行するには多くの困難と課題があります。例えば、これまで溶岩洞の内部に入った探査機はないため、内部の具体的かつ詳細なデータは現時点では不足しています。また、大規模な閉鎖生態系実験の成功例はなく、1990年代にセンセーショナルに話題となった「バイオスフィア2」実験も結局は失敗に終わった。別の例として、インテリジェント建設技術の開発はまだ成熟しておらず、大規模で複雑なエンジニアリングシステムを自動的に構築することは現時点では不可能です。

図13 溶岩洞探査車の原理試作機 画像出典：文献[4]

まだ解明されていない重要な技術は数多くありますが、人類は懸命に取り組んでいます。例えば、米国は2025年に月の溶岩洞窟に探査機を送り込み、関連する実験を行う計画だ。生態系の探究やインテリジェント建築も世界中で活発に行われています。

溶岩洞内の大規模な月面基地の建設に成功すれば、大規模で持続可能な月面開発計画が継続可能となり、月面の豊富な資源を人類が利用できる機会が得られ、地球と月間の旅行が一般の人々に利用可能になるほか、月面が火星探査の基地となることも可能となる。これは人類の生存と発展にとって極めて重要です。私たちは未来を信じることを選ぶことができます。

参考文献
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著者情報

著者名：肖一東 所属：中国科学院地質地球物理研究所