第10回月惑星に社会を作るための勉強会
2021年4月23日「月面居住施設建設と３Dプリント技術」
鶴巻崇1．
自己紹介（グラフィックアーティスト・建築家）
2. 建築家・デザイナーの責務・職能
3. NASAロードマップにおける位置付け
4. 地球建築と月建築に求められる性能の違い
5．ESAの３Dプリント月面居住施設（建設の流れと詳細）
6．課題点と今後の展望• 6-1. ３Dプリント技術による外殻構造• 6-2. 窓・生命の保護と視界の確保• 6-3. 月面他地域への汎用性• 6-4. 空間構成

1

”青の模様”
都営大江戸線 門前仲町駅グラフィックアート

自己紹介 (グラフィックアーティスト・建築家）

”青の模様”
都営大江戸線 門前仲町駅グラフィックアート

”青の模様”
都営大江戸線 門前仲町駅グラフィックアートアップル新本社
California, USAアブダビ国立記念博物館
Abu Dhabi, UAE

アブダビ・ワールド・トレードセンター
Abu Dhabi, UAE

ハドソンヤード・ベッセル（垂直公園）New York, USA26 2020 AV Monografías 222

ガーデン・ブリッジ
London, UKコール・ドロップス・ヤード
London, UK虎ノ門麻布台計画
東京

2

建築家・デザイナーの責務・職能• ストーリー性（コンセプト）• 印象的な空間構成や造形• 最新の工業技術、コンピューター技術• 稀有な材料の応用方法• すべての要素を調和の中に統合し、そこにムードを作る

提案• 使用用途• 規模制約• 敷地• 法律による規制• 予算• 時間• 完成後の保全（メンテナンス）• その他ークライアントによる具体的要望常識統合された結果：デザイン

• 材料
• 工法
• 構造
• 設備
• 形状（箱型）• 流行、スタイル• デザイン史、建築史

3

NASAロードマップにおける位置付け

NASAが1997年にロードマップとして定義した宇宙空間の居住施設の分類

例：NASA Mars Design Reference Mission
Mars Eaploration Habitat

Class I••••

地球で生産したものをそのまま運搬する
現地で即座に使用開始できる
現地での組み立て等の手間や工程がない
地球から打ち上げ可能な積載荷重による制約を受ける

例：NASA TransHab

Class II
• 地球で前もって生産する• コンパクト化したものを現地で展開す
る

例：ESA Lunar Habitation

Class III• 現地での材料調達に大きく依存• 地球で製造されたコンポーネントを付加して施設が完成す
る

新しい技術開発の必要性

4

地球建築と月建築に求められる性能の違い

地球建築と月建築、外皮の性能を決める上で、影響を及ぼす要素+120°C

宇宙線

流星物質 (隕石)

+45°C
昼夜温度差

太陽風・太陽フレア

地球

0°C• ダイナモ作用による磁場
• 大気

0°C

-25°C

気圧

雨・雪

断熱

風圧
気圧

換気

• ほぼ真空（薄い大気）
・磁場不在• 太陽風・太陽フレア
流星物質 (隕石)

昼夜温度差

雷

月

太陽風・太陽フレア

採光

採光

気圧

給排水・電気・酸素-150°C

地殻

地殻

上部マントル
下部マントルマントル

重力 (9.8m/s²）

重力 (1.6２m/s²）

流体外核（鉄、ニッケル）
自由電子の熱対流
固体内核（鉄）月震

断熱

地震
給排水・電気宇宙線

低粘性マントル流体外核

図版：鶴巻 崇固体内核

地球建築と月建築、外皮の性能を決める上で、影響を及ぼす要素+120°C

宇宙線

流星物質 (隕石)

+45°C
昼夜温度差

太陽風・太陽フレア

地球0°C• ダイナモ作用による磁場
• 大気

0°C

-25°C

気圧

雨・雪

断熱

風圧
気圧

換気

• ほぼ真空（薄い大気）
・磁場不在• 太陽風・太陽フレア
流星物質 (隕石)

昼夜温度差

雷

月

太陽風・太陽フレア

採光

採光

気圧

給排水・電気・酸素-150°C

地殻

地殻

上部マントル
下部マントル

重力 (9.8m/s²）

地球外では、磁場と大気が担う性能が建築の外殻に要求される

流体外核（鉄、ニッケル）
自由電子の熱対流
固体内核（鉄）月震

断熱

地震
給排水・電気宇宙線

マントル

重力 (1.6２m/s²）

低粘性マントル流体外核

図版：鶴巻 崇固体内核5

図版：鶴巻 崇３Dプリント月面居住施設（建設の流れと詳細）

南アメリカ大陸フランス領ギアナより打ち上げ

出典：ESA

個体ロケット・フェアリング分離

月着陸船分離建設候補地とその理由

図版：鶴巻 崇

3

1

地球を目視可能・通信の利便性（”表半球”）

永続的な太陽光（極地）2

永久影のあるクレーター

太陽光発電施設

水源、他の資源（コールド・トラップ）

第一世代（入植用）
月基地に適した敷地

図版：鶴巻 崇1. 太陽光を安定的かつ永続的に受けられるーエネルギー供給・温度低下回避

極地・高緯度地域（北極・南極）”永遠の陽射しの頂き”

2. 水源及び他の資源の可能性の高い場所ー他の天体への拠点

永久影のあるクレーターの近縁

3. 地球が目視可能ー心理的観点・通信上の利便性

表半球（地球から観測される側）

シャクルトン・クレーター外縁チャンドラヤーン1号に搭載されたNASAの月面鉱物マッピング装置（M3）によって撮影されたイメージ
青は水の特徴を示し、緑は太陽からの反射赤外線放射によって測定された表面の明るさを示し、赤は輝石と呼ばれる鉄含有鉱物を示します。

カベウス・クレーター
2009年、衝突実験

永久影を黒色で現した南極地方のイメージに、NASAがアルテミスプロジェクトで検討している着陸ポイントをマッピングしたもの

出典：NASA図版：鶴巻 崇

技術支援モジュール

図版：鶴巻 崇

自走式３Dプリンター

図版：鶴巻 崇

図版：鶴巻 崇

内部空間

5m

図版：鶴巻 崇10m

図版：鶴巻 崇外部膜: 懸垂曲線（カテナリー曲線）
３Dプリントによるレゴリスの外皮を作る型枠として使用-12-1510 ~10 気圧5m

内部膜: インテリア壁
1気圧
定員４名の居住空間

2階

1階10m
図版：鶴巻 崇

外部膜: 懸垂曲線（カテナリー曲線）
３Dプリントによるレゴリスの外皮を作る型枠として使用-12-1510 ~10 気圧

最低300mm: 内部膜と外部膜の間の緩衝帯
100000N / m²5m

内部膜: インテリア壁
1気圧
定員４名の居住空間

2階

1階

10m
図版：鶴巻 崇

自走式３Dプリンター

自走式３Dプリンター

図版：鶴巻 崇

自走式３Dプリンター

自走式３Dプリンター

図版：鶴巻 崇

3ヶ月後

6.2m

図版：鶴巻 崇

凝固剤供給タンク

6軸ロボットアーム

３Dプリントヘッド

レゴリス収集・敷均しショベル

図版：鶴巻 崇

凝固剤により多孔質構造を形成するレゴリスの部分
毛細管現象を使い凝固剤を染み込ませるプリンターヘッド（凝固剤の蒸発を防ぐ）

レゴリス収集・敷均しショベルすでに固められたレゴリスの上にショベルで新たに敷き均されたレゴリスのレイヤ（５mm厚）
図版：鶴巻 崇

凝固剤により多孔質構造を形成するレゴリスの部分
凝固していないサラサラのレゴリス（凝固していないサラサラのレゴリスは凝固材で固められた多孔質構造の中に残り放射線を遮断するのに必要な量の一部としてカウントされる）

多孔質構造

メテオロイドの衝撃を分散する効果＋局所的損壊がドーム全体の崩壊となることを防ぐ

図版：鶴巻 崇

1.5トンの試験体
イタリア中部の火山から取れる玄武岩（成分は月のレゴリスに99．
８％合致）を使用

出典：ESAカサ・ミラに展示されている懸垂曲線のモデル

圧縮アントニオ・ガウディ設計
カサ・ミラ（バルセロナ、スペイン）
屋根裏部屋に見る懸垂曲線のアーチ
懸垂曲線を上下逆さにしてアーチにすると部材には圧縮力のみが働き、全体が安定する。
凝固剤で固められたレゴリスの構造特性に適合する。

引張
２つの固定点から垂れ下がるロープや鎖が重力によって作る曲線：懸垂曲線（カテナリー曲線）の部材には引張力だけが働く。

圧縮懸垂曲線

図版：鶴巻 崇

800mm平行線（全方向に放射的に取る）

流星物質 (メテオロイド)

m0m

行

行

線

懸垂曲線

行m平平m平線0mm0m800m

線

80線

8080

行

平

流星物質 (メテオロイド)

図版：鶴巻 崇1500mm
水平方向の厚さ
太陽光（南極:ほぼ水平、全方位）1500mm

1500mm

1500mm

1500mm
1500mm

1500mm
1500mm
1500mm

太陽光（南極:ほぼ水平、全方位）

懸垂曲線

1500mm
1500mm
1500mm
1500mm

図版：鶴巻 崇

°

40

息
角

レ
ゴ
リ
スの安角
息40°

安のス
リ
ゴ
レ

図版：鶴巻 崇

ドームの形態を決定する要素

安のス
リ
ゴ
レ

100000N / m²

1500mm
水平方向の厚さ°

2階

40

レ
ゴ
リ
スの
安

最低300mm:
内部膜と外部膜の間の緩衝帯

角
息5m
最大
天井高

息角

40°

懸垂曲線

800mm平行線（全方向に放射的に取る）

6.2m
全高1500mm

1階10m
床投影面
図版：鶴巻 崇

自然光彩光ユニット（キューポラ）

無人施工開始から3ヶ月後、クルー到着

図版：鶴巻 崇

自然光彩光ユニット（キューポラ）

技術支援モジュールエアロック

図版：鶴巻 崇

図版：鶴巻 崇

6

課題点と今後の展望

図版：鶴巻 崇

6-1

3Dプリント技術による外殻構造Additive manufacturing
積層造形技術3D プリント

積層造形技術とはデジタルモデルに基づいて材料の層を一枚ずつ重ねて立体物を製造する方法。
材料のブロックから削り出したり、型枠に材料を流し込んで形を形成する方法と区別する目的で作られた名称。3Dプリントは商標登録された商品が呼称として定着した俗称

出典：XtreeE１．光造形方式

３．
シート積層方式

５．
バインダージェッティング(粉末固着(接着)方式)

７.指向性エネルギー堆積方式

UVで硬化する液体樹脂に下部からLED光線を当て一層ずつ造形する方式

薄いシート状の素材をラミネート（積層）していく方式
材料：
PVC（塩ビ、ポリ塩化ビニル）
プラスチックシート
接着剤でコーティングされた紙
薄い金属など粉末固着方式は、石膏などの粉末材料を敷き詰めた上に、ヘッドを移動させて接着剤を吹き付けて固めていく方式

噴射ノズルから粉末を供給しつつ、同時にレーザーで熱を加える事で溶融結合していく造形方式

材料:
石膏粉末
砂
金属粉など

材料：
金属など

４．粉末燃結方式

６．
マテリアルジェッティング

材料:
エポキシ系樹脂など

２．材料押出構法（熱溶解積層方式）

国際標準化機構（ISO )による積層造形の方式に関する
分類

熱溶解積層方式は、プリンターヘッドから溶けた樹脂を押し出しながら積層する方式
材料：
ABS樹脂、PLA樹脂 、
コンクリートなど

粉末状の材料にレーザー光線を当てて焼結させる方式
材料：
樹脂系素材
金属系素材(チタン・ニッケル)
ナイロンなどインクジェットヘッドから噴射した樹脂を、紫外線で固めて積層する方式
材料：
光硬化性樹脂ワックスなど３Dプリント応用事例

出典：XtreeEO P E R AT I N G P R I N C I P L E
O P E R AT I N G P R I N C I P L E

３Dプリント応用事例
11Mixer
Mixer
22
Tank
Tank
33
Robot

Control System
Control System

Robot4
Printing4 Head
Printing Head
5
Printed 5Object
Printed Object

XtreeE’s 3D printing system relies on an industrial 6-axis ABB
robot,
which
allows more
complexity
forindustrial
the printed
shapes.
XtreeE’s
3D printing
systemrelies on an6-axis
ABBTheprintedbrought
to the endof therobot’s
arm,robot,
whichmaterial
allows ismore
complexity
for theprintedshapes.
wherethe printing
headdevelopedby end
XtreeE
is placed.
TheThe printed
material
is brought
to theof therobot’s arm,
robot
materialthat progressively
wheredeposits
the printing
headlayers
developedby XtreeE is accumulate
placed. Theandformthe desiredobject.
robot
deposits
material
layers that progressively accumulate
and form the desired object.

PROJECTSX T R E E E C O RXtreeE
E®

Stormwater Collector(Lille, 2017)

3C O N N E C T E D 3 D P R I N T I N G S YTheS T large-scale
E MXtreeESd®

The large-scale 3d

2．材料押出構法
材料：コンクリート
PROJECTS

XtreeE seeks to develop technologies making quality construction available to everyone, by renting/selling connected large-scale 3D printing systems using multiple materials. Our systems include 3D printing heads, stationary 3D printing units,mobile 3D printing units and a cable robot, under development. XtreeE also offers
training sessions necessary to launch production at our clients’ facilities.

Client : Métropole Européenne de Lille
Machine Files & Manufacturing: Point P + XtreeEOn-site placing: La Sade

Cirratus Vase, London, 2016
Design: Zaha Hadid Architects
Machine Files & Manufacturing: XtreeE
Urban Furniture, 2017
Partner : Studio 7.5
Design: Studio 7.5
Machine Files & Manufacturing:: XtreeE

XtreeE®

The large-scale 3d

Cirratus Vase, London, 2016
Design: Zaha Hadid Architects
Machine Files & Manufacturing: XtreeE
Urban Furniture, 2017
Partner : Studio 7.5
Design: Studio 7.5
Machine Files & Manufacturing:: XtreeE

出典：XtreeE３Dプリント応用事例

2．材料押出構法
材料：プラスチック

出典：Aectual

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４．粉末燃結方式材料：鉄 822 92 2 2   2 240123

出典：Joris Laarman Lab.

３Dプリント応用事例

４．粉末燃結方式
材料：アルミ

出典：Joris Laarman Lab.

３Dプリント応用事例

出典：Studio RAP
2．材料押出構法
材料：セラミック３Dプリント応用事例

４．粉末燃結方式
材料：ナイロン

出典：mason 203

Search地球に依存しない精密部品の現地調達を目指して

05/04/2021

LITHOZ 3Dプリンティングシ

出典：Lithoz

1．光造形方式
材料：セラミック

マイクロリアクター
三元触媒コンバータは⾃動⾞の排ガス中に含まれる有害物質の除去に⽤いられている製品
従来の製造技術で⽤いられる多くのコンバータはハニカム構造をしておりますが、ハニカ効果が100％活かされておりません。
切⽋きとスポイラーの造形によて壁⾯との接触表⾯積を⾼めることで、流体の流れを理
これは同時に、より⼩さい体積の製品でこれまでと同様の変換効率を得られることを意
こ した、化⼯業製品の⼩型化は、機能的に最適化された新しい発想の設計が必要でそれを可能にするのが、LCM（セラミック光硬化造形技術）なのです。

出典：NASAISSですでに稼働している
熱溶解積層方式の３Dプリンタ
Solar（2．
sintering
材料押出堆積法に分類される）

太陽光焼結方式（4．粉末燃結方式に分類される）

sites/default/ﬁles/thumbnails/image/iss042e023408.jpg)

SA (European Space Agency) astronaut Samantha Cristoforetti
orking on the 3D Printer aboard the space station.
redits: NASA
電子ビーム積層造形方式

出典：DRL（4．粉末燃結方式に分類される）

出典：ESAシリカベースのセラミック中⼦鋳込み型としてのセラミック中⼦（キャスティングコア）の精細な造形にも、LCM（セ細かい⽳や溝のデMインを⼯夫することで、タービンブレードなどの製品に冷却機能を持年々⾼まています。
LCM（セラミック光硬化製造技術）による⾃由な造形は、タービンブレードの冷却チャルディングの技術的限界を突破し、製品の可能性や付加価値を更に拡⼤することができ
1．光造形方式
材料：レゴリス擬似材料

5．
バインダージェッティング
材料：レゴリス擬似材料

printed lunar soil, with a 1.5 tonn

課題点：
バインダージェッティング３D
プリントの使用を前提とすると、凝固剤が建設上不可欠な材料となる。
凝固剤は現地では生産不可能なため、常に地球から安定的に供給されなければ、大量かつ大型の建造物を建設する上で不利にESA - Building
a lunar base with 3D printing
なる。
運搬の費用も莫大なものとなる。

a demonstration.

1/2021“3D printing offers a potential me“Oursettlement
current printerat a rateof arwithbuilds
reducedlogistics(ESAによる1kgあたりの物資運搬費用の試算：$780,000)

whileHovland
our next-generation
designshouldof ESA’s human spacef

completing an entire building in a week.
出典：ESA— 1.5 tonne building block：ESA/Monolitewe are used to designing for extreme climatess 出典a practice,“The new possibilities this work oconsidered by international spaccurrent development of a commo

出典：ESA今後の展望：
月面にあるもの、太陽エネルギーとレゴリスを使った太陽光焼結方式の３Dプリントを利用する。

粉末焼結（燃結）方式３Dプリント： 加熱により原子同士が接合する現象を利用
4．粉末焼結方式
材料：砂・レゴリス

出典：Markus Kyser

出典：Markus Kyser
類似事例
ドイツ人アーティスト、Markus Kyser（マーカス・カイザー）
によるサハラ砂漠の砂を利用したSolar Sintering 3Dプリント（太陽焼結方式）の例

DLR（ドイツ航空宇宙センター）
ではEUのプロジェクトとして太陽焼結方式の３Dプリントで月面基地の外殻を形成するインターロッキングのブロックを開発しています。

出典：DLRESA-GSTP: 3D printing of a model building block for a lunar base outer shell
Solar 3D printing of lunar regolith

Solar sintering

太陽集光のダイアグラム

Mobile 3D printer• demonstrates printing operationsin an operational setting closer inscale to one that would be usedon the moon surface• comprised of a lightweight lensoriented in a 3-dimensional space• lens moves, as opposed to thesintering bed• allows the construction of larger
building blocks
reuses:feeder (FEMA)
software components (NCGU)

DLR-Cologne Solar Oven

携行型太陽集光装置の開発

レゴリス疑似体から試作された3Dプリントブロック

今後の展望：

p.
27

Funded by EU-Horizon 2020

大型太陽集光装置

出典：DLR
月面にあるもの、太陽エネルギーとレゴリスを使った太陽光焼結方式の３Dプリントで、月居住施設の外皮を形成するインターロッキングブロックを作る

出典：DLR

インターロッキングを利用した住居施設のイメージ（外殻は太陽光焼結方式３Dプリントのインターロッキングで建設される。
内部気密エリアは膜構造による）

膜構造：気密性確保

出典：DLR

インターロッキングブロック
Building Elements：
太陽放射とメテオロイドに対する遮蔽・防御

Lunar habitat envelope
constructed through tetrahedronelements
The interior can be outfitted with
inflatable pressure-bearing
volumes to create inhabitablezones

出典：Studio Dror
インターロッキングを利用した住居施設のイメージ（外殻は太陽光焼結方式３Dプリントのインターロッキングで建設される。
内部気密エリアは膜構造による）Building Elements
Interlocking building elements• Extensive geometric studies
were undergone• geometries are adapted in an
Funded by EU-Horizon 2020
iterative
process after eachsintering campaign incoordination with the material
tests

p.
31

Tetrahedron• self-centers during construction- eliminating the need forexternal scaffolding• has sharp edges and allows theconstruction of a completely
sealed habitat envelope

出典：DLR

出典：Studio Dror
フラットパックブロックのアイディア
趣旨は少し異なるが、ジオメトリーとシステムの考察において示唆的なプロジェクト
Optimization of the tetrahedron interlockingbuilding element; final geometry pictured in version
13.

建築家によるブロックの形状と施設全体のジオメトリーのコーディネーションが重要

建築外皮の構成

外部

内部

外部

内部

今後の展望：
月面にあるもの、太陽エネルギーとレゴリスを使った太陽光焼結方式の３Dプリントで、月居住施設の外殻を形成するインターロッキングブロックを作る。

外部仕上げ

主構造

断熱

内部構造

近代の工業化された地球建築の壁性能の負担が分断化されている

内部仕上げ

対メテオライト防御
放射線遮断
断熱

防湿性 気密性

第一世代の月面建築の壁
多岐の性能が３Dプリント壁に集中する

6-2

窓・生命の保護と視界の確保

ISS向けにESAが開発した窓 ”キューポラ”を天窓として流用
図版：鶴巻 崇ISS キューポラの設置目的• 外部との視覚的コミニュケーション（船外活動者とのコミニュケーション・ロボットアーム操作）• 外界を視覚的に確認（精神的側面）

アルミニウムプレート厚さ2mm

200mm

出典：NASA

アルミニウムプレート厚さ1.27mm
3M社特殊耐熱保護繊維 Nextel AF-62
DuPont社ミリタリーグレード特殊保護繊維KM2 Plus

シャッター
（デブリによる損傷、太陽の放熱による熱割れや内部温度の上昇を防ぐために通常は閉めたままにされ、使用するときのみ手動操作で開閉）• 石英ガラスは放射線下でも劣化が少ない。

Exterior of Cupola with shutters open

アルミニウムプレート
厚さ2.5mm
外部

デブリ防護ガラス(溶融石英ガラス、厚さ 11.4mm)
真空層

キューポラ主構造：
アルミニウムの鍛造（鍛造により、高い強度と靭性を得る）

予備圧力保持ガラス(溶融石英ガラス、厚さ 25mm)
真空層
圧力保持ガラス(溶融石英ガラス、厚さ 25mm)
内部気圧層

出典：NASA

直径80cm（宇宙で最大のガラス窓）

内部保護ガラス(溶融石英ガラス、厚さ 9.3mm)

？
課題点：
キューポラは月面居住施設天井部に装備するにあたり外部との視覚的コミュニケーション外界を視覚的に確認という二大目的に対して合理的なものとは言い難い
図版：鶴巻 崇今後の展望：
月面での安全対策と機能を精査した上で居住施設床レベルでの水平方向のコミュニケーション用に窓の開発を行う
対メテオロイド防護庇

溶融石英ガラス、厚さ 25mm

真空層

溶融石英ガラス、厚さ 25mm

真空層

内部気圧層

溶融石英ガラス、厚さ11.4mm

溶融石英ガラス、厚さ 9.3mm

太陽フレア、太陽熱保護シャッター(気密性・断熱性確保）

外部

内部

窓ガラス構成の基本はISSを踏襲

非常用デッドライト(気密性確保）ポートホール（船舶窓）

図版：鶴巻 崇800

月面他地域への汎用性

800

800

北極

800

1500

800

1500
1500 080
1500

1500
1500
080

800

1500

南極

1500

1500
1500
80
01500

赤道

1500

今後の展望：
外殻の構造をレゴリス太陽光焼結方式の３Dプリントで建設可能なものとして見直す際に、月面全地域に展開可能なシステムとして開発する。

800

1500

対メテオロイド：800mm
対多用放射：1500mm

1500

800

必要外殻厚さ

1500
1500 080
1500課題点：
同計画の寸法をそのまま赤道地域に展開すると外殻壁の厚さが太陽からの放射線に対して不足し、被曝量が過多になる

1500

1500

800

6-3

1500
1500 080
1500

1500
1500
8001500

6-4

空間構成

一人当たりの空間の大きさの例（単位：立法メートル）

課題点：
真円という構造的に最も合理的な建物形態が４人のクルーが長期滞在する上で、最も快適な空間を作るものであるかは疑問が多い。

ISS
85.17
NASAのスカイラブ
117
ロシアのミール
45
ソビエト連邦のサリュート 33.5

• 合計気積：257立方メートル• 合計面積：１３５平方メートル （75平方メートル（１階）、６０平方メートル（２階））（技術支援モジュールを含まない）（天井高２m以下の部分を差し引くとこれはさらに小さくなる。）

個人研究・
プライベートスペース
（3）
個人研究・
プライベートスペース（4）

打ち合わせスペース

個人研究・
プライベートスペース
（1）

個人研究・
プライベートスペース（2）

今後の展望：
長期滞在施設として、真円より個人スペースを作りやすい、幾何学形を模索し、構造システムと建設システムと最適化させる。

図版：鶴巻 崇