月の土壌の秘密: 月で酸素と燃料が生産されるかもしれない

科技日報記者 金鋒

国際学術誌「ジュール」に掲載された最新の論文が学界で広く注目を集めている。研究チームは、嫦娥5号が採取した月の土壌（以下、嫦娥5号の月の土壌）の元素と鉱物構造を詳細に分析した結果、月の土壌に含まれるいくつかの活性化合物が優れた触媒特性を持つことを発見した。彼らはそれを触媒として使い、人工光合成技術を利用して、模擬太陽光の助けを借りて水と二酸化炭素を酸素、水素、メタン、メタノールに変換しました。

「月の土は、月で最も豊富な資源の一つです。月の土やその抽出成分を月面で人工光合成触媒として利用できれば、宇宙船の搭載量やコストを大幅に削減できます。将来的には、月面の現地の材料を使って宇宙飛行士の生命維持や燃料の調製ができるかもしれません。」 5月7日、科技日報との独占インタビューで、論文の共同筆頭著者で南京大学教授の姚英芳氏がこの見解を表明した。

月の土壌の元素組成とマイクロナノ構造は、優れた触媒特性を与える。

2021年、南京大学は中国宇宙科学院が率いる合同チームの一員として、配布された最初の1グラムの月のサンプルを受け取った。結果を発表した研究チームは、研究に月の土壌0.2グラムを使用し、月の土壌のいくつかの特性を発見した。

「嫦娥5号の月の土壌は、月面の非常に若い玄武岩から採取されたものです。この鉱物は、人工光合成でよく使用される鉄、チタン、その他の触媒成分を豊富に含んでいます。研究チームは機械学習などの手法を用いて月の土壌構造の複数の分析を実施し、イルメナイトや酸化チタンを含む8つの結晶鉱物が人工光合成で優れた性能を発揮できることを発見しました」と姚英芳氏は述べた。

月の土壌の実際の触媒性能はどのくらいですか?研究チームは、月の土壌を光電水分解、光触媒水分解、光触媒二酸化炭素還元、光熱触媒二酸化炭素水素化などの反応の触媒材料として使用し、光電水分解と光熱触媒二酸化炭素水素化反応において高い性能と選択性を持つことを発見した。

「これらの実験では、模擬太陽光を当て、水と二酸化炭素を原料として、米国のアポロ計画で回収された模擬月の土壌や地球表面の玄武岩と月の土壌を比較しました。水の光電分解反応では、嫦娥5号の月の土壌が最も効率的に酸素と水素を生成していることが分かりました。光熱触媒二酸化炭素水素化反応でも、嫦娥5号の月の土壌が生成したメタンとメタノールの効率は他の材料よりも高かった。」姚英芳氏は、酸素は人間の生命維持に役立ち、メタンはロケット推進剤の有効成分であり、メタノールは有機化学物質の原料であるとうれしそうに語った。

この研究では、月の土壌の表面には微細孔と小胞構造が豊富にあることも判明した。 「このマイクロナノ構造は月の土壌の触媒性能をさらに向上させます」と姚英芳氏は語った。

将来の宇宙計画で実験を実施できるよう努力します

研究チームは、以上の分析をもとに、月面環境に対応して月の土壌を使った地球外人工光合成を実現するための戦略と手順を提案した。 「夜間の月面の約-173°Cという極低温を利用して、人間が呼吸する空気から二酸化炭素を凝縮・分離します。その後、太陽光を利用して嫦娥5号の月の土壌を水の分解のための電気触媒と二酸化炭素の水素化のための光熱触媒として使用し、人間の吐き出す排ガスと月面で採掘された水資源を酸素、水素、メタン、メタノールに変換します。」姚英芳氏は、地球外人工光合成技術を使用すれば、酸素と炭化水素を生産するのに太陽エネルギー、水、月の土だけが必要になるかもしれないと述べた。この技術は、月面の温度環境を利用して、低エネルギー消費と効率的なエネルギー変換を実現することが期待されています。これは、月の極限環境に適応できる現地資源利用システムを確立するための潜在的な解決策を提供します。

月の土壌の触媒効率は地球上の触媒よりも低いが、研究チームは月の土壌中の有効な触媒成分を分離・精製し、より良い触媒効果を達成することにも努めると姚英芳氏は述べた。

しかし、地球外人工光合成技術が実際の月面環境で実現できるかどうかは、さらなる検証が必要です。姚英芳氏は、現在、中国宇宙科学院の研究者らと協力して、将来の宇宙計画における地球外人工光合成技術のテストの実現と現実世界の環境検証に努めていると紹介した。

出典：科技日報 著者：金鋒