月面に家を建てる：華中科技大学の学者チームが、現地の資材を使ってロボットが月面基地を建設する方法を研究している。

出典: 揚子江日報

△周成教授が3Dプリントした「月壺尊」を確認中。楊家鋒記者撮影：月面に建物を建てることを想像できますか？華中科技大学の丁烈雲院士が率いるチームは、考えるだけでなく行動も敢行している。中国が月面に建設した月面基地のスタイルを、卵の殻のような形の建物である「月虎巣」と名付けた。計画は、月の土を使って月のレンガを焼き、ロボットを使ってそれを作るというものだ。

国内初となる月面土壌を模擬した真空焼結印刷サンプルを準備し、「0から1」への大きな進歩を達成した。丁烈雲氏は、「月虎王」が人類の月面着陸前に建てられたのか、後に建てられたのかはまだ十分に検討されておらず、現在の予備研究は一種の探査であると紹介した。

月面基地の建設が完成しました。
直立した卵の殻のように

△月面基地「月湖尊」の完成予想図。左は月湖尊を建設した「ムーンスパイダー」。（写真提供：国立デジタル建設技術イノベーションセンター）
7月7日、華中科技大学の国家デジタル建築技術イノベーションセンターで、長江日報の記者が「月虎子」の3Dプリント模型を視察した。外から見ると、地面に直立した拡大した卵の殻のように見えます。

建物としては、「月湖尊」は内部に荷重を支える「四梁八柱」がなく、卵殻の上部はドーム構造になっています。卵殻は内層と外層の2層に分かれており、中央にリブのような構造があり、安定性を高めています。
△「月虎尊」の内部構造模式図。（写真提供：国立デジタル建設技術イノベーションセンター）
華中科技大学土木水資源工学学院デジタル建設・工学管理学科主任の周成教授は、記者の前にある「月虎子」は縮小版であり、実際の長さと幅はともに3メートルで、円形の2階建ての家に似ており、作業室と休憩室に分かれていると紹介した。

この大胆なアイデアは、中国工程院の院士であり、国家デジタル建設技術イノベーションセンターの主任科学者である丁烈雲氏によって提案された。彼らは、伝統的な中国のレンガ造りと石積みの建築方法と 3D プリントを組み合わせ、全体のプレハブ組み立てと部分的なプリントと接続を使用して月面基地を設計、建設しました。

「月面基地を建設するために地球から建築資材を持ち込むのは不可能だ。そうすると建設費が極めて高額になってしまうからだ」丁烈雲氏は「月湖尊」を「現地建設」と位置づけ、主な建設資材は地球ではなく月自体から調達することを意味する。「最初は難しそうに思えたが、今は技術的なサポートもあるので、以前ほど難しくはない」

月には大気がなく、月面物質の熱容量と熱伝導率が非常に低いため、月面では昼と夜の温度差が大きくなります。日中、太陽光が垂直に当たる月の表面温度は 127 ℃ まで上昇しますが、夜間には表面温度がマイナス 183 ℃ まで下がります。そのような場所に家を建てるのは間違いなく困難です。

「建築様式は断熱性を十分に考慮する必要がある」と周成氏は述べ、月面にどのような建物を建てるかについてはさまざまな試みを行っていると語った。当初はドーム構造、アーチ構造、柱状構造などを試し、月面での使用環境に適しており、構築しやすいかなど、さまざまな形状を繰り返し試しました。

2021年末までに、直立した卵の殻のような「月虎子」が月面基地の標準的な建築様式になる予定だ。「これは、中国的要素とテクノロジー感覚の両方を体現するという丁烈雲院士の要求を満たしています。」現在、周成氏の日々の研究は、この「卵の殻」を中心に、どのような材料を使い、どのような道具を使い、どのように作るかということにかかっています。

小学生の息子は、周成が「月虎尊」の目的を研究していると知ってとても興奮し、放課後毎日父親に質問攻めにしました。子どもたちの目には、嫦娥が月に飛んだり、呉剛が桂の木を切り倒したり、天狗が月を飲み込んだりすることはすべて伝説です。月に家を建てるよりも夢のようなことがあるでしょうか。

周成氏は、月面では地震が頻繁に発生するが、「月虎尊」の形状の安定性は小さな地震にも耐えることができ、建物の断熱効率にも合致していると述べた。中国の月探査計画により、月の南極に連続的に光る領域が存在する可能性があり、月面基地の理想的な場所となる可能性があることが示された。

月の土で作られたほぞ穴構造のレンガロボットが組み立てられ、構築される

△ハン・ウェンビンさんは、ほぞ継ぎ構造をプリントした月の土レンガを見せている。楊家鋒記者撮影。月面建設に関する国際的コンセンサスは、地球から資材を持ち込まず、できるだけ月面の資材を現地建設に使うことだ。丁烈雲氏のチームが以前、吉林省のクレーターで発見した火山灰が、「月虎巣」を建設するための模擬月の土壌となった。

この夏休み中、国立デジタル建設技術イノベーションセンターも活気にあふれていました。博士課程の学生であるハン・ウェンビンさんとワン・ユシアンさんは、電気加熱炉を囲んで、模擬月の土をレンガに焼結する工程を観察し、焼結された製品が月の環境で信頼できるかどうかを確かめていた。

焼結が完了した後、Han Wenbin氏は製品の強度、熱特性、耐久性などを研究し、Wang Yuxiang氏は指導者のZhou Cheng教授の指導の下、3Dプリントプロセスのさらなる最適化に注力しました。

「月面に家を建てる上で最大の課題は、過酷な環境だ」と周成氏は述べ、月面環境が「月虎子」建設にもたらす5つの大きな課題を挙げた。昼夜の大きな温度差が住宅の構造性能に与える影響に加え、地球の真空環境とは放熱ルールが異なること、継続時間が長く頻度も高い「月震」、月面への隕石の頻繁な衝突、月面の重力が材料や構造物の応力状態を変化させるなど、不利な要因もあります。

チームは当初、2つの方法で月面に「月湖尊」を建設することを構想していた。 1つの方法は3Dプリント工法を採用しており、まずグラウト補強法で月面に基礎を築き、次に基礎の上に構造物を印刷します。エアバッグ配置法でドームを固定し、次にドームをエアバッグの上に印刷し、最後に形に印刷します。もう1つの方法は主にロボットアーム組み立て工法を採用しており、太陽エネルギーやレーザーで焼結した月面土レンガをロボットアームで1つずつつなぎ合わせ、「月湖尊」のドームを事前に準備します。

どちらの建設方法にもそれぞれ利点があります。 3Dプリントには地球から月まで接着剤を運ぶ必要があります。一般的に、接着剤の重量は建築資材全体の10%～15%を占めます。「もし『月虎尊』の重量が20トンなら、3Dプリントには少なくとも2トンの接着剤が必要になる」とハン・ウェンビン氏は述べた。2トンの接着剤と300キログラムの3Dプリント装置、合計2.3トンの資材が月に送られ、総額154億元かかる。1平方メートル当たりの建設コストは8.5億元で、地上での建設コストを大幅に上回る。

△ロボットアームを使って月面土レンガの組み立てを完了します。画像は国家デジタル建設技術イノベーションセンター提供。ロボットアームの組み立て工事では、高エネルギービーム（太陽エネルギーまたはレーザー）を使用して月の土を焼結する必要があります。月の土の各層は一度敷かれて焼結され、このプロセスは「月湖尊」が完全に組み立てられるまで繰り返されます。利点としては、建設コストが比較的安価で、ロボットアームと発射装置のみが必要であり、3Dプリントで月に送られる資材よりも軽量で、建設コストも削減されることです。しかし、このタイプの建設はリスクが高く、月面の温度差を克服することが難しく、構造の変形を引き起こしやすい。

周成氏は、諸外国が月面基地を建設するために使用している技術システムは3Dプリントであると紹介した。この技術はさまざまな形状の月面基地構造物の構築に使用できますが、3D プリントは連続的なプロセスです。印刷プロセス中に印刷構造物が損傷したり割れたりすると、構造全体が機能しなくなります。ワンショット成形はリスクが高く、エネルギー消費も大きくなります。

彼らのチームは、中国の伝統的な石工法とほぞ継ぎ工法を参考に、ほぞ継ぎ構造の月土レンガを月の土で焼結し、それを組み立てて建設することを提案した。月面レンガを焼結することで、一度の成形のリスクが分散され、その後ロボットによって敷設された。同時に、3Dプリントを使用して接続を強化し、構造を完成させ、構造の変形を回避した。

丁烈雲氏のチームは最終的に、2つの建設計画を統合して「ムーンスパイダー」と呼ばれるロボットを開発した。周成氏によると、「ムーン・スパイダー」は遠くから見るとクモのように見える3Dプリントロボットで、上部はハイブリッドロボットアーム、下部は多脚プラットフォームとなっている。設計要件によると、ロボットアームの重量は200kg、シャーシの重量は500kgです。ロボットアームは、構築中に3Dプリンターに置き換えることもできます。地上と月面での「月虎尊」の印刷手順は同じです。違いは建設環境にあります。月面での建設では、構造と材料を全体的に考慮する必要があります。

王玉祥氏は記者団に対し、コスト削減の考えも明らかにした。同氏は、10～15％を占める接着剤を、強度を変えずに10％以下に減らすことが可能で、ロボットアームの組み立て構造はより軽量な装置を設計し、地球から月への輸送コストを削減できると述べた。

月の素材を使って建設すればコストは大幅に削減でき、海外でも同様の方法が取られている。周成氏は「月面に家を建てることは私たちの世代では実現できないかもしれないが、将来誰かがこの問題を解決するだろう。月面基地建設の研究は、3Dプリンター建設やロボット石工など、新たな技術やビジネスモデルを生み出す可能性もある」と語った。

アイデアを紙に残さずにチームを率いて実行しましょう

△「月湖尊」はサンドイッチ構造になっています。撮影：ヤン・ジアフェン記者月面基地建設の構想は2015年に始まった。当時、デジタル建築研究に注力していた丁烈雲院士は、研究の中で「建築の改造とアップグレードの最も重要な側面の1つは3Dプリントであり、月面にプリント基地を建設するというアイデアは非常に自然なアイデアだ」ということを発見した。一部の建築景観や小さな構造物は、手作業では不可能なことが多いが、3Dプリントを使用すれば簡単に完成させることができる。これにより、丁烈雲院士は、無人3Dプリントが極限環境でのみ役割を果たすことができることを痛感した。極限環境はどこにありますか?彼が最初に考えたのは、月や火星など、地球外の極限環境だった。「それは突然の考えではなく、自然な考えだった」と彼は語った。

丁烈雲院士はアイデアを紙に書き留めることはせず、チームを率いて月面基地を建設し、作業を開始した。「当時、私たちは自ら研究し、投資しました。」周成氏は記者団に対し、このプロジェクトの研究を開始した後、丁烈雲院士が関係省庁や委員会に連絡を取ったところ、相手側が非常に「驚いた」と振り返った。

中国の月探査プロジェクトの主任設計者であり、中国工程院の院士でもある呉維仁氏は、この科学研究プロジェクトに注目している。同氏は、月面の印刷基地というアイデア、「軽量で再構成可能な月面建設方法の研究」は基礎研究であり、非常に価値があると考えている。

科学技術部は2021年末、「軽量かつ再構成可能な月面建設方法の研究」を重点研究開発計画に含め、「工学科学と総合的学際研究」の重点プロジェクトとした。華中科技大学がこのプロジェクトの主任科学者ユニットとなった。

「月面基地建設のエンジニアリングは長期的な目標です。現時点では、プロジェクト目標に沿って達成できると確信しています。」丁烈雲氏は記者団に対し、現在のプロジェクトには、印刷後の「月虎子」内部の膨張施設の稼働方法や、「月虎子」を建設する月面の具体的な場所の選択など、解決すべき一連の問題がまだあると語った。解決しなければならない問題はたくさんある。

「現在行っているのは0から1への探査です。すぐに使えるとは言えません。これは比較的長期的な計画です。さらなる月面探査を通じて、より多くの情報が得られるかもしれません。将来的には、技術的なルートを変更したり、より新しい技術的な道筋を採用して月面基地を建設したりするかもしれません」と丁烈雲氏は語った。

月面に家を建てる：華中科技大学の学者チームが、現地の資材を使ってロボットが月面基地を建設する方法を研究している。

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