火星に無人酸素生成工場を設置せよ：NASAのMOXIE実験が有人宇宙探査の未来を拓く

MOXIEは、NASAと欧州宇宙機関（ESA）の研究者らがISRU（現地資源の有効利用）というコンセプトのもと実施する火星および月の資源活用実験のひとつ。
PHOTOGRAPH BY NASA
2021.07.05 MON 07:00:23
火星に無人酸素生成工場を設置せよ：NASAのMOXIE実験が有人宇宙探査の未来を拓く
巨大な「重力の井戸」の底にある地球から宇宙へ物資を打ち上げるよりも、月や火星の資源を活用して必要な酸素や物質をつくりだすほうが理に適っている。いま火星では、96％を二酸化炭素が占める大気を電気分解して少量の酸素を抽出する実験が進行中だ。人ひとりが10分程度呼吸するだけの酸素はすでに生成できる。目指すは、帰還ロケット用の酸素を生成する自動システムを構築することだ。
TEXT BY ERIC NIILER
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2021年の5月28〜30日、火星探査ローヴァー「Perseverance（パーサヴィアランス）」はジェゼロ・クレーターの探査を数時間ほど休止し、トースターほどのサイズの装置でちょっとした化学実験を行なった。これは、いつの日か人類が「赤い惑星」で一定期間生活をし、また地球へ戻ってこられるようにするためのものだ。
「MOXIE（モキシー）」（火星酸素現地資源利用実験／装置）という名称で知られるこの装置は、火星の大気に電流を流す電気分解という手法で少量の酸素を抽出する（火星の大気は96％が二酸化炭素だ）。21年2月にパーサヴィアランスが着陸して以来3度目の酸素採取実験が行なわれるのだ。
これまでの実験では、毎回、人ひとりが10〜15分程度呼吸するのに充分な量の酸素を生成している。これだけ聞くと大した量に思えないが、最終的なゴールはMOXIEを大型化し、探査員らの呼吸用と帰還ロケット用の酸素を生成する自動システムを構築することにある。NASAは、火星からロケットを打ち上げるためには、推進剤としてロケット燃料のほかに大量の酸素が必要になると予測している。
無人酸素生成工場の設置
MOXIEは、NASAと欧州宇宙機関（ESA）の研究者らがISRU（現地資源の有効利用）というコンセプトのもと実施する、火星および月の資源活用実験のひとつだ。ロケットの燃料や呼吸可能な酸素をつくり出すアイデアは何十年も前からあったが、ようやくいま、それを実験室と火星表面との両方でテストできる段階にきた。
研究者らは、単純な化学実験から、より複雑な工学的技術を用いたプロトタイプの開発へと前進させ、最終的に無人酸素生成工場を設置できるようになったとき、宇宙探査は大きく飛躍すると話す。ただし、それは簡単なことではない。電気分解による酸素生成には、乗り越えなくてはならない大きな障害がいくつもあるからだ。研究者らはいま、このプロセスが膨大なエネルギーを必要とするという問題に直面している。
それでも、MOXIEやその他の資源利用の取り組みに携わる科学者らは、パーサヴィアランスによるミッションでこれまでに得られた成果に興奮を隠せない。MOXIEの主任研究員でマサチューセッツ工科大学（MIT）ヘイスタック天文台の研究管理担当副所長を兼任するマイケル・ヘクトは、「（実験は）恐ろしく順調です」と言い、「2年前に実験室で行なったのとほぼ同様の結果が得られたことに、大変驚いています。2年経ったあとも電源を入れればまたきちんと稼働すると思えるものなんて、そう多くはないでしょう？ 自転車でさえ、1、2年放置すれば錆びついてしまいますよ」と語った。
“火星で酸素がつくられる音”
ヘクトによれば、火星で実行した最初の2回のMOXIEでは、それぞれ4〜5gの酸素が生成された。地球の大気圧下であれば約1ガロン（4ℓ弱）に相当する体積量だ。21年5末に行なわれた3回目の実験では、1時間に8gの酸素が得られることが期待された。同氏はまた、MOXIEは大量の電力を必要とするため、装置が稼働している間はパーサヴィアランスは他の実験やデータ収集を行えないと説明した。
パーサヴィアランスのオペレーションを担当するNASAジェット推進研究所の探査車開発チームは、ローヴァーに取り付けたふたつのマイクのうちひとつをオンにし、MOXIEのコンプレッサーのモニタリングを開始する予定だ。これは、システムがすべて正常に作動していることを音で確認する診断ツールとして機能する（火星の大気中とNASAの研究室とでは音の伝わり方が異なるため、研究者らはその音が果たしてどのようなものか正確に把握しようと解析を進めている）。
その録音を地球で聴けるというのがまた素晴らしい。「一般の人が聴けるようにするためには、WAVファイルを少々加工する必要がありました。でも、スペクトログラム（音の周波数の3次元解析図）はとてもいい感じです」とヘクトは言う。「これで、“火星で酸素がつくられる音”を聞くことができますよ」
同氏の話では、MOXIEによる酸素生成実験は今後数カ月間でさらに8回予定されており、流す電流に対する酸素抽出量を最大限高めるために微調整を行なっていくそうだ。
現地資源の活用が合理的かつ不可欠
しかし宇宙飛行士が火星に降り立つのは、もう少し先の話だ。NASAは2030年代前半を目指しているというが、スペースXのイーロン・マスクはそれよりもっと早く実現させてみせると約束している。ついに人類が火星に到達するころには、MOXIEの後継機が人々を出迎えているかもしれない。火星に来る宇宙飛行士は全員、おそらく呼吸用酸素の生成装置を各自で持ち込んでいるだろうから、解決すべき大きな問題は、帰還用ロケットの推進剤をつくることだ。「燃料を燃やすには、それを燃やすための酸素が必要です」とヘクトは言う。
4人の乗組員が生命維持に必要な酸素量が1年間に約1.5トンなのに対し、7トンのロケット燃料から推進力を生み出すためにはおよそ25トンの酸素が必要になるのだそうだ。それを解決するのに最も手取り早い方法は、乗組員らが到着する6カ月前に火星に自動化されたシステムを送り込み、酸素生成を始めておくことだ。そうすれば、地球から持っていく機材を少なくできる。ヘクトは「推進剤用の酸素25トンをロケットに積んで運ぶよりも、1トンの装置を持っていき現地で生成するほうがはるかに理にかなっています」と話した。
それについては、火星よりずっと早く実現するだろうと言われる月の有人探査にも検討されている。NASAとESAの研究チームは、レゴリスと呼ばれる月の砂（堆積層）を熱して酸素を抽出する研究に取り組んでいるところだ。グラスゴー大学の博士課程に在籍し、ESA傘下の欧州宇宙技術研究センター（ESTEC）（所在地：オランダ、ノールトウェイク）の研究員でもあるベス・ローマックスは、月のレゴリスは重量の45パーセントが酸素で構成されており、ケイ素やアルミニウム、カルシウム、マグネシウム、鉄、チタンなどの金属元素と結合してできていると説明する。
ローマックスと同センターのアレキサンダー・ムーリスは、溶融塩の入った容器にレゴリスを入れて加熱し酸素を抽出する装置を開発している。MOXIEの実験同様、電流を使って酸素を他の成分から分離するのだ。しかしMOXIEとは異なり、酸素を抽出したあとには副産物として、月面基地の建設資材となりうる金属元素が残る（事実、ESAの別のチームは、宇宙飛行士の尿とレゴリスを合わせてフライアッシュのような再利用可能なジオポリマー建材をつくることを検討している）。
ローマックスは、わざわざ地球から資源を持っていくより、すでに月面にあるものを活用する方法を考えるほうが合理的だと言う。「長期間の宇宙探査と居住が現実味を帯びてきている以上、現地資源の活用が不可欠になります。毎回必要な資材を何もかもすべて地球から持っていくなんて、現実的ではありません。巨大な「重力の井戸」の底にある地球から宇宙へ物資を打ち上げるためには、膨大なエネルギー量が必要になるからです」
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