月の水を採掘するには大規模なインフラ投資が必要ですが、その必要性はあるのでしょうか?

月の水を採掘するには大規模なインフラ投資が必要ですが、その必要性はあるのでしょうか? 天文・宇宙

著者情報:Alex Ellery氏, カールトン大学教授、宇宙ロボティクス・宇宙技術のカナダリサーチチェア

私たちの住む世界では、人々によって重大な決断がしばしば後先考えずになされます。

限りある資源をリサイクルせずに消費し続ければ、いずれは枯渇することなど、予測可能なこともあります。

しかし、月への帰還を目指す私たちは、無制限の消費を含めたあらゆる悪い習慣を持ち込むことになります。

1994年に探査機クレメンタインが月面で水の氷を発見して以来、月への帰還が期待されるようになりました。

Clementine 25th Anniversary Video

動画:NASAのクレメンタイン・ミッションの25周年を記念した米国海軍の動画。

その水がすべてを変えました。

水の氷は月の極にあり、太陽の光が永遠に届かないクレーターの奥に隠れています。

その後、国際宇宙ステーションのおかげで、水と酸素を高効率で再利用できる高度な技術が開発されました。

月面での人口が増えれば、水の需要も増えるでしょう。

では、月の水をどうするのでしょうか。

一般的に提案されている答えは、燃料電池によるエネルギー貯蔵と、燃料と酸化剤による推進力の2つです。

燃料電池は、充電すると電気分解によって水素と酸素が再利用され、漏れがほとんどないからです。

エネルギーと燃料

2つ目の方法は、現在、月で水を採掘する最大の理由となっていますが、より複雑ですが、それ以上の説得力はありません。

注目すべきは、SpaceX社のロケットにはメタンと酸素の混合ガスが使われており、水素の推進剤は必要ないということです。

つまり、地球上の石油や天然ガスと同じように、貴重で有限な資源を採掘し、それを燃やすことが提案されているのです。

宇宙で資源を採掘して利用する技術は、「ISRU:In-Situ Resource Utilization(現地で入手可能な資源を利用)」と呼ばれています。

月では酸素が不足しているわけではありませんが(月の鉱物の約40%は酸素でできています)、水素は不足しています。

月から水を取り出す

水素は、燃料としてだけでなく、還元剤としても非常に有用です。

月には鉱物の中に酸素が豊富に含まれていますが、それを取り出すには水素などの還元剤が必要です。

例えば、鉄とチタンの酸化物であるイルメナイトは、月に多く存在する鉱物です。

これを水素で約1,000℃に加熱すると、水、金属鉄(鉄系の技術が活かせる)、酸化チタンになります。

また、水を電気分解して水素と酸素に分離し、酸素はイルメナイトから効率的に分離して再利用することができます。

水から取り出した水素を燃やすことは、将来の世代への展望を損なうことであり、これこそが持続可能性の核心です。

しかし、それ以外にも現実的な問題があります。

月面近くに埋もれている水の氷の資源にどうやってアクセスするのかです。

水の氷は、あらゆる意味で敵対的な地形にあり、太陽の光が届かない深いクレーターの中にあり、温度は約40ケルビン、つまりマイナス233度です。

Peaks of eternal light(永遠の陽射しの頂)は、月の南極の地域にある、ほぼ一定の太陽光にさらされている山の峰々です。

月の表面にある「永遠の陽射しの頂」

月の表面にある「永遠の陽射しの頂」は、ほぼ一定の太陽光にさらされている。©NASA/Johns Hopkins University Applied Physics

NASAのジェット推進研究所では、この山頂に設置された巨大な反射板からクレーターに向けて太陽光を照射することを提案しています。

この巨大な鏡を地球から輸送し、山頂に着陸させ、深いクレーターを照らすように遠隔操作で設置しなければなりません。

その後、ロボットの採掘機が照明された深いクレーターに入り、反射した太陽エネルギーを利用して水氷を回収します。

水氷は昇華させて蒸気にし、直接熱やマイクロ波で加熱して回収することもできますが、水氷は熱容量が大きいため、大量のエネルギーを消費することになり、鏡から供給する必要があります。

また、水氷を物理的に掘り出して、わずかな温度で溶かすこともできます。

水の利用

水を回収した後は、水素と酸素に電気分解する必要がありますが、これらを貯蔵するためには、タンクの容積を小さくするために液化する必要があります。

酸素は簡単に液化できますが、水素は最低15気圧で30ケルビン(-243℃)で液化します。

このため、水素を液化し、沸騰させずに液体のまま維持するためには、余分なエネルギーが必要となります。

この低温で冷却された液体水素/液体酸素 (LH2/LOX)を、低温を維持したまま使用場所まで輸送しなければなりません。

これで、月から何かを打ち上げるための推進剤のストックができたことになります。

このためには発射台が必要ですが、月の赤道上に設置することで、どのような軌道傾斜でも発射できる柔軟性を持たせることができます。

極地の発射台は、計画中のルナ・ゲートウェイへの極地での発射に限定されます。

月面の発射台は大規模なインフラ整備が必要となります。

要約すると、月の極地から水の氷を採取するのは一見簡単そうだが、それを実現するためには複雑なインフラが必要となります。

インフラの設置にかかるコストは、現地での資源利用のコスト削減の根拠を否定することになります。

動画:月の南極付近には水が存在する。

採掘に代わる方法

より好ましい選択肢があります。

イルメナイトを水素還元して金属鉄、ルチル、酸素を得る方法は、水を利用することの利点のほとんどを備えています。

酸素は、液体水素/液体酸素 (LH2/LOX)の混合物の大部分を占めます。

熱エネルギーは、処理ユニットに組み込まれた小型の太陽集光器で発電することができます。

各ユニットは必要な場所に配置することができ、供給地と需要地の間を長い距離を移動する必要はありません。

つまり、ほぼ同じ機能を、より簡単に実現できる別のルートである現地での資源利用で実現することができるのです。

地球上で犯した持続不可能な過ちを繰り返さないためにも、太陽系に進出した私たちには正しい道を歩むチャンスがあるのです。The Conversation

This article is republished from The Conversation under a Creative Commons license. Read the original article.