火星ロケットのバイオ燃料を火星で作る

火星ロケットのバイオ燃料を火星で作る 天文・宇宙
火星での宇宙飛行士と人間の居住空間の想像図。©NASA

ジョージア工科大学の研究者たちは、将来の宇宙飛行士が地球に帰還する際に使用する火星のロケット燃料を、火星で製造するというコンセプトを開発しました。

このバイオプロダクションプロセスでは、赤い惑星に存在する3つの資源、すなわち、二酸化炭素、太陽光、そして凍った水を使用します。

また、2種類の微生物を火星に運ぶことも含まれます。

1つ目はシアノバクテリア(藻)で、火星の大気中の二酸化炭素を取り込み、太陽光を利用して糖分を生成します。

地球から輸送された大腸菌は、その糖分をロケットなどの推進装置用の火星特有の推進剤に変換します。

火星の推進剤は2,3-ブタンジオールと呼ばれ、現在存在しているもので、大腸菌で作ることができ、地球上ではゴムを作るためのポリマーを作るのに使われています。

このプロセスの概要は、「Designing the bioproduction of Martian rocket propellant via a biotechnology-enabled in situ resource utilization strategy」という論文として、Nature Communications誌に掲載されています。

現在、火星を出発するロケットエンジンの燃料は、メタンと液体酸素(LOX)を予定しています。

どちらも火星には存在しないため、火星軌道に戻ってくる宇宙船の燃料として、地球から輸送する必要があります。

30トンのメタンとLOXの輸送には、約80億ドルの費用がかかると言われています。

このコストを削減するために、NASAは化学触媒を使って火星の二酸化炭素をLOXに変換することを提案していますが、その場合も地球からメタンを輸送する必要があります。

一方、ジョージア工科大学の研究者は、バイオ技術を利用したin situ資源利用(bio-ISRU)1現地で入手可能な資源を利用する戦略を提案しており、二酸化炭素から推進剤とLOXの両方を製造することができます。

火星の資源を利用して火星で推進剤を製造すれば、ミッションのコスト削減につながるといいます。

さらに、バイオISRUプロセスでは、44トンのクリーンな酸素が生成されますが、これは人類の火星の植民地化を支援するなど、他の目的に使用するために確保することができます。

「二酸化炭素は、火星で利用できる唯一の資源の一つです。生物学は特にCO2を有用な物質に変換することに長けているので、ロケット燃料を作るのに適しているのです。」と本研究の筆頭著者であり、ジョージア工科大学化学・生物分子工学部から博士号を取得したばかりの Nick Kruyer氏は述べています。

この論文では、まずプラスチック素材を火星に運び、サッカー場4面分の広さのフォトバイオリアクターに組み立てるというプロセスを紹介しています。

フォトバイオリアクターの中では、シアノバクテリアが光合成によって成長します(二酸化炭素が必要です)。

別のリアクターで酵素がシアノバクテリアを糖に分解し、それを大腸菌に与えてロケットの推進剤を製造するのです。

推進剤は、高度な分離方法を用いて、大腸菌の発酵液から分離されます。

研究チームの調査によると、バイオISRU戦略は、地球からメタンを輸送して化学触媒で酸素を生成するという化学的に可能な戦略に比べて、消費電力が32%少ない(ただし重量は3倍)ことがわかっています。

火星の重力は地球の3分の1程度であるため、研究者たちは独創的な燃料を考えることができました。

「火星では離陸に必要なエネルギーが非常に少ないため、地球上でのロケット発射用に設計されていないさまざまな化学物質を柔軟に検討することができました。私たちは、火星の重力が弱く、酸素がないことを利用して、地球への打ち上げには関係のないソリューションを作る方法を考え始めました。」と、本研究の共同執筆者であり、化学・生化学部およびChBE学部の准教授で、化学物質を生産するための微生物のエンジニアリングを担当しているPamela Peralta-Yahyaは述べています。

「2,3-ブタンジオールは昔から存在していましたが、推進剤として使うことは考えていませんでした。」と、グッゲンハイム航空研究所で燃料の研究をしているWenting Sun准教授は言います。

シアノバクテリアで覆われたサッカー場4面分の大きさのフォトバイオリアクターは、火星でロケット燃料を生産することができる。

シアノバクテリアで覆われたサッカー場4面分の大きさのフォトバイオリアクターは、火星でロケット燃料を生産することができる。Cyanobacteria Cultivation(シアノバクテリアの培養)、Biomass Concentrator(バイオマス濃縮装置)、Enzyme Reactor(酵素リアクター)、Fermenter(発酵槽)、Liquid-Liquid Extractor(液液抽出装置)、Wastewater Treatment(廃水処理)、Membrane Separatpr(膜分離装置)、Fuel and O2 Storage(燃料と酸素の貯蔵)、Mars Ascent Vehicle(火星探査機)©BOKO mobile study

ジョージア工科大学のチームは、キャンパスをまたいで活動しています。

化学者、化学系エンジニア、機械系エンジニア、航空宇宙系エンジニアが一丸となって、実現可能な火星用燃料を作るためのアイデアとプロセスを開発しました。

Kruyer氏、Peralta-Yahya氏、Sun氏のほか、燃焼の専門家で機械工学の准教授であるCaroline Genzale氏、プロセスの合成と設計の専門家であるMatthew Realff氏が参加しました。

チームは現在、バイオISRUプロセスの重量を減らし、提案されている化学プロセスよりも軽量化するために、特定された生物学的および材料の最適化を行うことを検討しています。

例えば、火星でシアノバクテリアが成長する速度を向上させることで、フォトバイオリアクターのサイズを小さくし、地球から機器を輸送するために必要なペイロードを大幅に削減することができます。

また、藻類を使ったプロセス解析を担当しているRealff氏は、「火星の環境でシアノバクテリアが生育できることを実証するための実験も必要です。火星では、太陽からの距離や大気による太陽光のフィルタリングがないため、太陽スペクトルが異なることを考慮する必要があります。」

ジョージア工科大学のチームは、2つの惑星の違いを認識することは、火星で燃料、食料、化学物質をISRUで生産するための効率的な技術を開発する上で極めて重要であると強調しています。

そのため、この研究では生物学的および材料学的な課題に取り組み、将来的に人類が地球外に進出するという目標に貢献することを目指しています。

Peralta-Yahya氏の研究室は、合成生物学やバイオテクノロジーの新しい応用例を発見することに長けており、持続可能性に関するエキサイティングな問題に取り組んでいます。

「火星でのバイオテクノロジーの応用は、限られた資源を最小限の出発原料で利用するための完璧な方法です。」

本研究は、NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC)賞の支援を受けています。

Published by Georgia Institute of Technology. Nicholas S. Kruyer et al, Designing the bioproduction of Martian rocket propellant via a biotechnology-enabled in situ resource utilization strategy, Nature Communications (2021). DOI: 10.1038/s41467-021-26393-7