宇宙旅行はもっと安くなるかもしれない：火星の塵を使ってロケットの部品を3Dプリントできるかもしれない

出典：小湘朝報

2022年9月19日の英国メディアの報道によると、エンジニアらは火星の塵が将来の宇宙ミッションにおける3Dプリントやロケット部品に利用できる可能性があると述べた。

（研究者たちは火星の表面の塵を使って工具やロケットの部品を3Dプリントする方法を発見した。）

1キログラムの物体を地球の軌道に送るには38万元かかる

人類が将来火星で暮らすためには、その惑星で生き残るために必要な食料や装備のほとんどを生産する方法を学ぶ必要があるだろう。それは宇宙に物質を送るのが法外に高価だからです。たとえば、NASAの宇宙船がわずか1キログラムの積荷を地球の軌道に送り込むのに54,000ドル（約38万人民元）かかります。

したがって、火星で製造できるものはすべて、宇宙船の積載量と費用を節約することになる。言うまでもなく、何かが壊れた場合、宇宙飛行士はその場で修理する方法を知る必要がある。

ワシントン州立大学の研究者らは、火星の表面の塵を使って3Dプリントの工具やロケットの部品を作ることが可能であることを発見した。研究者らは、この画期的な発見により将来の宇宙旅行がより安価で実用的になる可能性があると主張している。

月の岩石を模した3Dプリント部品

「宇宙で有人ミッションを行おうとするなら、3Dプリントをしなければならない。なぜなら、地球からすべてを運ぶのは不可能だからだ」とワシントン州立大学機械材料工学部のアミット・バンジョパディヤイ教授は言う。「何かを忘れたら、戻って取りに行けない」

アミット教授は2011年にNASAのために同様の実験を行い、3Dプリントを使用して、模擬破砕された月の岩石や月の表土から部品を作成した。それ以来、宇宙機関は3Dプリントへの取り組みをますます強化し、国際宇宙ステーションには、施設や実験に必要な材料を製造するための独自の施設が設けられるようになりました。

（道具は5％から100％の火星のレゴリスを使用して作られました。）

シミュレーションにより、強力で高性能な材料が生み出される

アミット教授は学生のエリ・アフザナとカレン・トゥルカスとともに、粉末ベースの3Dプリンターを使用して、風化と呼ばれる模擬火星岩石の粉塵と、強度と耐熱性のために宇宙探査でよく使用されるチタン合金を混合しました。次に、高出力レーザーを使用して材料を 2000°C 以上に加熱し、溶かします。溶融した混合物を、さまざまなサイズや形に成形できる可動プラットフォームに注ぎます。

材料が冷却された後、研究者らはその強度と耐久性をテストした。彼らは、砕いた火星の岩石を模した少量をチタン合金と混ぜると、火星着陸用の道具やロケットの部品を作るのに使える強力で高性能な材料が作れることを発見した。

彼らは、ロボットアームや探査車によって収集可能な火星表面の岩石質の無機物質を模倣して設計された、黒色の粉末状物質である火星レゴリスを5％から100％使用した。 5% のレゴリスを使用して作られた部品は、チタン合金のみを使用した場合よりも優れた特性を示しました。つまり、レゴリスを使用することで、重い負荷に耐えられる軽量の部品を製造できるということです。「これにより、より優れた、より高い強度と剛性を備えた材料が得られるため、特定の用途ではより優れた性能を発揮できるようになります」とアミット氏は語った。

100％レゴリスを使用して作られた部品は脆く、割れやすいが、アミット氏はこの材料は放射線遮蔽のコーティングとして使用できると主張している。

国際応用セラミック技術ジャーナルに掲載されたこの研究はほんの始まりに過ぎず、今後の研究では異なる金属や3Dプリント技術を使用して、さらに優れた複合材料を生産できるようになるかもしれない。

アミット氏は、これは研究が実行可能であることを示しており、おそらく私たちはこの方向で考えるべきだろうと述べた。「壊れやすいプラスチック部品だけでなく、あらゆるタイプの構造に使用できる強力な金属セラミック複合部品も製造できるからです。」

（研究者たちは火星の塵を使って工具やロケットの部品を3Dプリントする方法を研究している。）

NASAが火星への有人ミッションを発表

NASAは、2030年代に初の月面着陸を行った後、火星に有人探査機を送る計画を立てている。火星は人類の宇宙探査における次の大きな飛躍となった。

しかし、人類が赤い惑星に到達する前に、宇宙飛行士は一連の小さなステップを踏み、1年間のミッションで月に戻ることになる。 2030年代の火星探査ミッションのタイムラインの一部として、月周回軌道でのミッションの詳細が発表された。

2017年5月、NASAの政策・計画担当副次官であるグレッグ・ウィリアムズ氏は、人類が火星を訪問できるようになるまでの4段階の計画と、予想されるタイムフレームの概要を示した。

フェーズ 1 と 2 では、月面への複数回の旅行が行われ、旅行の準備場所となる居住地が建設されます。最後に届けられるハードウェアは、後に宇宙飛行士を火星に運ぶために使用される実際の深宇宙船となる。火星での生活に関する1年間のシミュレーションが2027年に実施される予定です。フェーズ 3 と 4 は 2030 年以降に開始され、火星系と火星表面への継続的な探査が含まれます。

【ニュースリンク】月の土がロケット燃料として利用可能に

今年5月5日、南京大学、香港中文大学（深圳）、中国科学技術大学の研究チームは国際学術誌「ジュール」に論文を発表し、嫦娥5号が回収した月の土壌（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、月の土壌にいくつかの活性化合物が含まれていることを発見したと述べた。これらは触媒として機能し、太陽光を利用し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す。

この発見に基づき、研究チームは月の土壌を地球外人工光合成に利用する戦略を提案し、月面探査、研究、旅行を支援する「ゼロエネルギー」月面生命維持システムを実現するための物質的基礎を築くことを期待している。

「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われる鉄、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使って月の土壌構造を何度も分析し、月の土壌にはイルメナイト、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、約24種類の結晶鉱物が含まれていることを発見しました。8種類の結晶鉱物は人工光合成で優れた性能を発揮します」と、論文の共同筆頭著者で南京大学教授の姚英芳氏は科技日報に語った。

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、模擬太陽光を適用し、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号の月の土壌が酸素と水素を生成するのに最も効率的であ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は、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も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品の原料であるとうれしそうに語った。

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