火星に呼吸可能な空気を備えた基地をどのように構築するか

人類を初めて別の惑星に送るのは恐ろしいかもしれませんが、そこに到達することは課題の半分にすぎません。 大きな問題は、故郷から何百万マイルも離れた、呼吸不可能な大気、宇宙放射線、そして氷点下の表面温度にさらされた惑星の表面で、人類がどうやって生きていけるのかということだ。

私たちは、地球外惑星を人類が居住できるように準備するにはどうすればよいのか知りたかったので、マサチューセッツ研究所の 2 人の専門家に話を聞きました。 テクノロジー教授のマイケル・ヘクトとNASAエンジニアのアサド・アブーベイカーは、人を殺そうとする惑星で宇宙飛行士を生かし続ける方法を模索する 彼ら。

この記事はの一部です 火星上の生命 — 人類の火星占領を可能にする最先端の科学技術を探求する 10 部構成のシリーズ

チャンスの窓

人々を赤い惑星に送るには、本質的なタイムラグが存在します。 地球と火星の軌道により、ある惑星から別の惑星に移動する最も簡単な方法は、「軌道」と呼ばれる軌道を使用することです。 ホーマン転移軌道、船体が外側に向かって徐々に螺旋を描く軌道を移動します。

「これは惑星の回転方法によるものです」とヘクト氏は説明した。 「地球は火星の軌道の内側にあり、火星よりも速く自転しているため、火星を数回周回します。 火星の1年は地球のほぼ2年に相当する。」

「だから、打ち上げのタイミングを計る必要がある。 そして、火星には 1 年ごと、つまり 26 か月ごとに、火星が地球に近づく火星衝と呼ばれる時期があります。 したがって、26 か月ごとに、この最適な軌道で火星に探査機を打ち上げる機会があります。 …ということで、火星への計画では、まずインフラを送り、それから26か月後に乗組員を送ります。」

インフラを送信するということは、宇宙飛行士が呼吸できる空気や食べ物を確保することだけを意味するわけではありません。 それはまた、宇宙飛行士が任務終了後に出発できるようにするための、発電所、居住地、探査車、上昇機を送って建設することも意味します。

酸素がなぜそれほど重要なのか

火星基地を設立する際に最初に取り組むべき大きな問題は、酸素の生成です。 火星での酸素の生産について聞くと、おそらく人間の最も基本的なニーズ、つまり呼吸するための空気を思い浮かべることでしょう。 そして確かに、封じ込められた火星の生息地で呼吸可能な大気を生み出す方法を見つける必要がある。 しかし、これには、宇宙飛行士を地表から打ち上げるロケットの推進剤という大きな需要に比べて、比較的少量の酸素しか必要としません。

「私たちはロケット推進剤を作ろうとしているのです」とヘクト氏は語った。 「私たちは燃料を作ろうとしているのではなく、地球上では決して考えられないような化学反応の一部を作ろうとしているのです。」 ここで 地球よ、車のエンジンでガソリンを燃やすとき、燃料を作り出すために燃料の重量の数倍に相当する酸素を使います。 反応。 暖炉で丸太を燃やすのと同じです。

ただし、「遊離酸素がない場所に行く場合は、遊離酸素を持っていく必要があります」とヘクト氏は付け加えた。

最新のロケットにはこの推進剤を供給する液体酸素タンクが搭載されており、打ち上げ時の重量のかなりの部分を占めます。

「宇宙飛行士を地球から離して軌道に乗せるためのロケットに動力を供給するには、30トン近くの酸素が必要になるでしょう」とヘクト氏は語った。 「そして、その 30 トンの酸素を火星に持って行かなければならないとしたら、ミッション全体が 10 年前に延期されることになります。 空のタンクを送って酸素を充填するほうがずっと簡単です。」

利用可能なものを活用する

火星で酸素を生成するために、ヘクト氏と彼の同僚は、現場資源利用 (ISRU) と呼ばれる概念に取り組んでいます。 本質的に、それは火星にすでにあるものを利用して、必要なものを作り出すことを意味します。

彼らはMOXIE（火星酸素現場資源利用実験）と呼ばれる実験を構築し、それは火星に簡単に運ばれました。 NASA パーサヴィアランス探査機 2021年2月に無事着陸しました。 MOXIE は事実上、火星の大気中に豊富に存在する二酸化炭素を取り込んで酸素を生成する、潜在的にはさらに大きな装置の小型版です。

複雑に聞こえるかもしれませんが、実際、この装置は地球上でよく知られているものと似ています。 「MOXIE は燃料電池によく似ています」と Hecht 氏は言います。 「ほぼ同じですね。 燃料電池を取り出して、入ってくる 2 本のワイヤーを逆にすると、電気分解システムが完成します。 つまり、これが燃料電池であれば、安定した分子を生成する燃料と酸化剤が存在することになります。 一酸化炭素と酸素を燃料にすると二酸化炭素ができます。 電気も出ます。

「逆に走らせると、二酸化炭素を入れなければならず、電気も入れなければなりません。 しかし、一酸化炭素と酸素は排出されます。 これが私たちがこれを行う方法を知る方法です。」

この一見単純なアイデアは、宇宙コミュニティ以外ではほとんど誰も問題として考えていない問題、つまり酸素の生成に取り組むため、革新的です。 「地球上で酸素を作りたい人は誰もいません。私たちにはそうする理由がありません」とヘクト氏は語った。 「どこにでもたくさんあります。 しかし、私たちは燃料電池のおかげで多くの知識を持っています。」

酸素マシンの作り方

酸素マシンを作成する化学原理を理解することと、探査機に搭載できるバージョンを設計して構築することは別のことです。 アブーベイカー氏は、NASA ジェット推進研究所 (JPL) の MOXIE の熱エンジニアであり、MOXIE に携わってきました。 プロジェクトの開発全体を通して、実験がどのように構築されたか、そして JPL チームが直面しなければならなかったいくつかの課題について説明しました。 タックル。

「質量と作業スペースの小ささに加えて、私たちが抱えていた主な資源制約はエネルギーでした」と彼は言いました。 「探査車には原子力電源である放射性同位元素熱電発電機が搭載されています。 そのため、探査車は原子力を動力としていると人々は考えていますが、そうではありません。 バッテリー式で、核トリクル充電器が付いています。」

つまり、研究者はバッテリーを消耗しないように、使用する電力量に細心の注意を払う必要があります。 パーサヴィアランス探査車全体はわずか 110 ワットで動作しますが、これは明るい電球よりもわずかに高い値です。

逆に、MOXIE のような実験では少量の電力しか使用できません。 「そのため、システムを加熱するために使用できるヒーターの電力、システムにガスを吹き込むコンプレッサーが消費できる電力、そして運転できる時間に制限が設定されました」とアブーベイカー氏は語った。

システムが大規模でも同等かそれ以上に機能するにもかかわらず、Perseverance で移動する MOXIE のバージョンが非常に小さいのはそのためです。

うまくいくかどうか知りたいだけです

しかし、装置の設計は実験の一方の側面にすぎず、もう一方の側面はそれが実際に火星で動作するかどうかを確認することです。 地球上ではしっかりと機能する概念であっても、地球外環境によって予期せぬ結果が生じる可能性があります。 薄い大気が熱の伝わり方に影響を及ぼし、重力が低く不慣れなため予期せぬ方法でベアリングが摩耗する ほこり。 そのため、JPL のエンジニアは、実際の火星の環境で MOXIE がどのように機能するかを確認するために、すぐに MOXIE からデータを収集する予定です。

「多くの点で、MOXIE は実際には科学データを取り入れていません」とアブーベイカー氏は言う。 岩石サンプルの分析に使用される望遠鏡や分光計などの科学機器と比較して、MOXIE から収集されるデータは比較的シンプルです。 「私たちが持っているものは、エンジニアリングテレメトリーデータのようなものです。 電圧、電流、温度などを測定します。 これは私たちのデータであり、データ量は実際には非常に小さいです。 フロッピー ディスクにほとんど収まるほどです。」

つまり、チームはシステムが意図したとおりに動作しているかどうかについて、数日以内に非常に迅速なフィードバックを得ることができます。 データ分析に数週間、数か月、場合によっては数年かかる他の Perseverance ツールとは異なり、MOXIE は実験であると同時に実用的なデモンストレーションでもあります。

「多くの意味で、私たちがやっていることは科学ではなく、テクノロジーです」とアブーベイカー氏は語った。 「ほとんどの場合、私たちはそれが機能するかどうかを知りたいだけです。 また、将来的に規模を拡大したい場合、そのためにはどのようなことを行う必要があるでしょうか?」

火星のマクマードステーション

MOXIEが成功すれば、ISRUの原理が火星でどのように機能するかを実証することができる。 そうすれば、プロジェクトをスケールアップして、はるかに高い速度で酸素を生成できる本格的なバージョンを作成するのは比較的簡単です。 そして良いニュースは、より大きなバージョンはより効率的であり、あまり電力を必要とせずにかなりの量の酸素を生成できることです。

酸素が分類されれば、火星に住む人類に必要な他の種類の資源に移ることができます。 私たちが地球上に基地を設立するために必要なもう 1 つの最も重要なリソースは、 水. 人間が飲むだけでなく、水（または水素）と二酸化炭素を組み合わせると、多種多様な有用な化学物質が生成されるためです。

「短期的な考えは、ミッションを実現可能にするためにある程度の自律型ISRUを実行したいということです」とヘクト氏は語った。 「南極のマクマード基地や国際宇宙ステーションのような基地が地球上にできたら、氷の採掘など、より攻撃的なタイプのISRUを考えることができます。

「多くの人が、私たちは自律的に氷を採掘すべきだと感じています。 しかし、私はノーと言います、それは努力する価値がありません。 氷は鉱物です。つまり、氷を探し、掘り出し、浄化する必要があります。 持っていくだけで楽になりますよ。 ただし、MOXIE のようなものは機械的なツリーです。 二酸化炭素を吸い込み、酸素を吐き出します。」

マイニングによる資源の探索と比較して、MOXIE ははるかに簡単だと Hecht 氏は主張します。 「どこにも行く必要はないし、何も探す必要もない。 これらは、短期的には本当に実用的な IRSU の手法です。 より複雑なタスクを実行できる人材が地上に現れるまで、残りの作業を延期します。」

予想外の火星人の賞金

火星には水の氷が豊富にありますが、それは極に位置しており、ほとんどの火星ミッションは砂漠のような赤道への着陸に焦点を当てたいと考えています。 この問題に取り組むための現在の概念には、将来の使用のために少量の氷の位置をマッピングできる地球規模の氷のマッピングというアイデアが含まれています。

別の選択肢は、火星の土壌の鉱物から水を抽出することです。 「石膏やエプソムソルトのような鉱物は硫酸塩であり、多くの水を引き付けます」とヘクト氏は説明した。 「それで、掘り出して焼いて水を抜くことができました。 土壌を採掘して水を得ることができ、水はかなり豊富にあります。」

しかし、火星には、地球上で見つかっているものと同様の物質だけが存在するわけではありません。 また、過塩素酸塩 (ClO4) と呼ばれる化学物質も大量に含まれています。過塩素酸塩は人間の健康に有害であり、地球上で少量しか存在しません。 この物質は有毒であるにもかかわらず、固体ロケットブースター、花火、エアバッグなどに使用されているため、その化学的特性により非常に有用である可能性があります。

「火星では、土壌中の塩素のほとんどが過塩素酸塩であることが判明しました」とヘクト氏は言う。 「それは土壌のほぼ1％を占めています。 そしてそれは途方もない量のエネルギーを持っています。 ClO4 から酸素原子を放出して Cl を生成すると、膨大な量のエネルギーが放出されます。 私はそれが収穫できる素晴らしい資源になるだろうといつも思っていました。」

これに関する問題は、これらの用途はすべて爆発性であり、ClO4 の反応を制御することが困難であることです。 しかし、エネルギーを穏やかに放出する可能性のあるシステムがあります。 生物反応器.

「微生物はこれを食べてエネルギーを生み出すことができます」とヘクト氏は説明した。 「そして人々は実際に、ある物質を消化してそこからエネルギーを抽出するバクテリアのタンクである、この種の生物反応器を構築しました。

「それで、私は探査車の後部に生物反応炉があり、宇宙飛行士が乗り込んで走り回るというビジョンを持っています。 そして、パワーゲージが少なくなると、彼らは外に出て、後ろのホッパーに土をかき込み始めます。そうすれば、微生物が土を食べてエネルギーを作り、宇宙飛行士は運転を続けることができます。 突飛なアイデアですが、それが私のペットリソース活用のコンセプトです。」

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