0.2グラムの月の土を使って、彼らは大きな秘密を発見した

南京大学の姚英芳教授は、重さ0.02グラムの月の土を使った最初の実験を行ったとき、緊張のあまり手が震えていた。

彼の研究は、月の土壌に含まれる成分を人工光合成触媒として使い、人間が吐き出す二酸化炭素や月面から採掘した水などを酸素、水素、メタン、メタノールに変換するというものだ。

人類がこの技術を習得できれば、地球からの補給がなくても、月面の現地の材料を使って酸素や水、その他生存に必要な物資を生産できるようになるだろう。それは人類が月面基地や月面中継ステーションを建設するのを助け、より遠い宇宙探査や恒星間旅行のためのエネルギー供給を提供することができます。

最近、中国宇宙科学院の嫦娥5号探査機システムの最高司令官兼主任設計者である楊孟非院士、中国科学院物理研究所の王維華院士、南京大学の鄒志剛院士らが率いる研究チームが、月以外での人工光合成の戦略を提案した。研究結果は国際的に有名な学術誌「Joule」に掲載されました。

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月の土壌の効率的な触媒作用を実現する2つの方法を選別

月で生活し生き残るためには、水、酸素、エネルギーが不可欠です。地球からの供給に頼るのは、常にほんのわずかな量に過ぎません。研究者たちは、月の「固有の」資源からさらなる可能性を発見したいと考えている。

2年前、NASAは月の表面に水分子が存在すると発表しました。我が国が打ち上げた月探査機「嫦娥5号」は、月面の土壌の現地調査を実施し、月面に水資源が存在することをさらに確認しました。

水は宇宙飛行士が飲むために使用できるだけでなく、2つの宝物に変身させることもできます。 「我々は以前、中国宇宙科学日報のインタビューで、中国宇宙科学院の銭学森宇宙技術研究室が主導する、月面の水資源の開発と光化学変換というプロジェクトに参加した。これは水を水素と酸素に分解するものだ」と論文の筆頭著者である姚英芳氏は語った。

嫦娥5号が持ち帰った月の土壌を入手した後、研究チームは特に、月の土壌が水を水素と酸素に変換する触媒物質としても使用できるかどうか、また月の土壌が二酸化炭素の変換において一定の役割を果たすことができるかどうかを調べたいと考えました。

今回採取された月の土は、月面から採取された非常に若い玄武岩です。この鉱物には、人工光合成でよく使われる鉄、チタン、その他の触媒成分が豊富に含まれています。 「機械学習などの方法を通じて、月の土壌には約24種類の鉱物成分が含まれていることを分析しました。そのうち、イルメナイト、酸化チタン、ハイドロキシアパタイト、さまざまな鉄系化合物など8種類の成分は優れた光触媒特性を持っています」と姚英芳氏は紹介した。

さらに、月の土壌自体の表面には微細孔や小胞構造が豊富に存在しており、月の土壌の触媒性能をさらに向上させることができます。月の土壌にこのような自然発生的な利点が見つかることは極めて稀です。

最適な解決策を見つけるために、科学研究チームは月の土壌触媒に関するさまざまな試みを行い、その性能を評価しました。例えば、水の光電分解を利用して水素と酸素を変換することができます。光触媒水分解は水を水素と酸素に分解するために使用できます。光触媒二酸化炭素は一酸化炭素、メタン、メタノールに変換できます。光熱二酸化炭素を水素化してメタンとメタノールを生成することができます。

最終的に、彼らは、月面土壌の触媒効率を最も高くすることができる2つの方法として、光起電水電気分解と光熱触媒二酸化炭素水素化を選択し、その結果得られる材料はより有用で純粋なものとなった。

「メタンは燃料として、宇宙船の推進剤として非常に優れています。メタノールはさらに幅広い用途があります。私たちが身に付けて使用する多くの有機化合物には、原料としてメタノールが含まれています。メタノールを継続的に生産できれば、人類が必要とする化学物質を生産するためのメタノール化学工場を月に建設できることになります」と姚英芳氏は語った。

月の土を触媒として得られる酸素、水素、メタン、メタノールの4つの物質は、人類が月面で生き延び、基地や中継基地を建設するために必要な物質です。月面で最も豊富な資源の一つである月の土壌資源は、巨大な開発空間と可能性を秘めています。

現場での打ち上げ負荷とコストを大幅に削減

これまで、科学者たちは地球外での生存のための多くの戦略を提案してきましたが、ほとんどの設計は地球からのエネルギーに依存しています。

例えば、2020年に打ち上げられたNASAの火星探査車パーサヴィアランスに搭載された火星酸素現地資源利用実験（MOXIE）は、火星の大気中の二酸化炭素から酸素を生成できますが、この装置は地球の同位体電池で駆動され、高温条件下で電気化学的方法を使用して二酸化炭素を一酸化炭素と酸素に分解します。

「当時彼らが設計した基準は、酸素変換効率を1時間当たり10グラムにすることだったが、さまざまな理由により、最終的には火星の表面で1時間当たり約6グラムの変換効率を達成した」とヤオ・インファン氏は語った。 「効率が高くないだけでなく、装置が非常にかさばると言われており、バッテリーを頻繁に交換する必要がある可能性が高いため、宇宙船を何度も打ち上げる必要があり、打ち上げごとに積載量が大幅に増加することになる」

本論文で述べた地球外人工光合成技術は比較的単純であり、地球外の資源と環境を完全に利用して酸素、燃料、生存物資を生産する。

夜の月の気温はマイナス173度で、マイナス78.5度で二酸化炭素はドライアイスに変わります。そのため、夜間の月では、人間が吐き出すガスから二酸化炭素を直接分離し、月面から採掘した水資源を使って水素と酸素に分解することができます。酸素は人間が呼吸するためのもので、二酸化炭素は水素と一緒に生成されます。日中、月面の気温が摂氏127度に達すると、水素を加えて二酸化炭素をメタンに変換するプロセスが、その場で巧みに実現されます。

「これを行う最大の利点は、ロケットの打ち上げ積載量を大幅に削減し、月やさらに遠くの宇宙空間へ宇宙船を飛行させるコストを削減し、手頃な価格で持続可能な深宇宙探査を実現できることです」とヤオ・インファン氏は述べた。

大航海時代と同様に、近い将来、宇宙飛行の時代に入るだろうという点で世界は合意に達しています。さらに、マスク氏のスペースXやアマゾン創業者のジェフ・ベゾス氏など、すでに宇宙開発に取り組む人々が続々と登場している。

我が国は地球・月宇宙経済圏の構築も提案しています。中国科学院と国際航行アカデミーの院士である鮑衛民氏はかつて、2046年までに地球・月経済圏の年間総生産額が少なくとも10兆米ドルに達すると予測した。

「地球外の大規模な探査を行うには、地球の資源にできるだけ依存せず、代わりに地球外の資源を使って地球外のリサイクルシステムを実現し、地球・月宇宙経済圏を真に実現する必要があります。」ヤオ・インファン氏は「私たちの戦略は、持続可能で手頃な地球外生活環境のための『ゼロエネルギー』生命維持システムを提供することだ」と語った。

月の土1グラムは貴重

2021年7月12日は、ヤオ・インファンにとって生涯忘れられない日となるだろう。その日、彼は鄒志剛院士とともに国家宇宙局月探査・宇宙工学センターを訪れ、月の土壌配布式典を視察した。同時に、中国宇宙科学院の共同研究チームの一員として、南京大学の研究チームは月の土壌1グラムの研究を行った。

「最初から最後まで、このプロセス全体が私を興奮させました。これまで、このような素晴らしいチームに参加するとは思ってもいませんでした。私たちは、材料、触媒、エネルギーを入り口として月の土壌を配布した最初の13の科学研究ユニットの中で唯一の共同研究チームです。」姚英芳は今でもその瞬間を思い出すたびに興奮を覚える。

この研究に使われた月の土はわずか1グラムですが、非常に貴重です。米国のアポロが月から持ち帰り、国の指導者に国家の贈り物として贈った月の土の重さはわずか0.5グラムだったことを知っておくべきです。

南京大学の月サンプル実験室に保管されている嫦娥5号の月の土壌サンプル。データマップ

写真提供：新華社記者 陳希源

月の土は南京大学に持ち帰られた後、同大学が特別に用意した超クリーンな環境で保管された。この環境は、国家宇宙局が発行した「月サンプルの使用に関する規則」に厳密に従って設計されました。酸素含有量は20ppm（百万分の一）以下、水蒸気含有量は50ppm以下でした。同時に、保管スペースを死角なく継続的に監視し、実験中にリアルタイムで音声・動画の録画とテキスト記録を行う必要があります。

姚英芳さんは、初めて0.02グラムの月の土を使ったときのことを今でもはっきりと覚えているが、そのとき面白いことが起こった。姚英芳は生徒たちにこの神聖な瞬間を始めてほしいと思っていましたが、生徒たちは興奮しすぎてそれを実行できませんでした。彼自身も、自ら作戦に参加した時は、非常に緊張したという。 「月の土を0.02グラム量ったとき、緊張で手が震えました。月の土は本当に貴重です。」

月の土は入手が難しく、最初の訪問先は南京大学の環境材料と再生可能エネルギー研究センターだった。ここには、国内の地球外人工光合成のトップクラスの人材を集めた有名な地球外人工光合成研究チームがあるからだ。

チームには、鄒志剛院士だけでなく、中国科学院物理研究所の王維華院士、中国宇宙技術研究院の嫦娥5号探査機システムの最高司令官兼主任設計者である楊孟非院士も含まれている。 3人の学者は共同で、中国宇宙科学技術研究院に地球外生命体生存の物理化学過程に関する学者スタジオを設立した。

「このスタジオのおかげで、このような貴重な月の土を入手する機会を得ることができました。この研究にはそのうち0.2グラムが使用されました」とヤオ・インファン氏は語った。

この研究は、南京大学、中国宇宙科学技術研究院、香港中文大学（深圳）、中国科学技術大学の共同で完了しました。研究プロセス全体を通じて、チームメンバーは非常に団結し、意欲的に活動し、研究プロセスと進捗状況を毎月報告し、コミュニケーションを取りました。さらに重要なことは、研究を行う際に月の土壌の独自性を守り、研究過程で生じる損失を最小限に抑えるために最善を尽くすことです。

姚英芳氏は、中国の将来の有人月探査ミッションとの連携を狙って、宇宙でシステムをテストする機会を探していると明らかにした。

関連論文情報: https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.04.011

著者: 張青丹

出典：中国科学日報