探査の将来を考える勉強会

宇宙でのその場資源利用（ISRU）と水素エネルギー社会構築活動の接点

小林 弘明

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探査の将来を考える勉強会

探査の将来についての私見
Moon Village「月や火星に人類社会を作る事を想定し，大きなコンセプトや課題の抽出およびアプローチの方法などについて議論をするプラットフォームを作りたい」

そもそも、なぜ宇宙での恒久的活動拠点を考えるのか？
●宇宙環境での長期にわたる研究の拠点に。
●宇宙での有用な資源や生命探しの基地に。
●宇宙旅行の拠点ホテルに。
●人間の活動領域拡大は宿命である。

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探査の将来についての私見
民族移動や移民のモチベーション①気候変動への対応②敵からの逃亡人口爆発やエネルギー問題：切羽詰まるほどの状況にはなっていない。代替手段や対策有。
宇宙はサハラ砂漠や南極より過酷、逃亡先として不適切。
いずれ地球はなくなる。宇宙もなくなるらしいが…
人間は、存亡の危機においては何でもやるが、 切羽つまらないと頑張らない。
③利益の追求資源の採掘損益分岐点の問題→ 採掘が難しければ資源ではない。
④流刑
科学者の基地とする。例えば宇宙研や天文台が月に移転。
月基地に赴任したい人間：100～200人くらいはいるはず。
Luna cityは、しばらく無理だが、moon villageは可能性あり。

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探査のベース基地として想定されている「月」
現在、月は、国際宇宙探査の拠点として期待されている。
・持続的な探査には、資源の現地調達と、エネルギーの貯蔵が必要。
・地球から補給し続けることはコストがかかりすぎる（1000億/ton～）。
・太陽光発電が利用できない越夜（２週間）の活動源をどうするか？
・原子力という手もあるが、日本としては避けたい（と思う）し、現地調達ができない。
課題

月の「その場資源利用ISRU」で、エネルギーを貯蔵することは可能か？

JAXA国際宇宙探査グループ資料

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探査のベース基地として想定されている「月」
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月面の温度環境 中低緯度地域は昼間120℃ 夜間-200℃
表面物質（レゴリス）は金属酸化物 （酸素43%、ケイ素21%、アルミ10%、鉄9%、Ca 9%、）含まれる鉱物としては、イルメマイト（ FeTiO3 ）、灰長石（CaAl2Si2O8 ）など。
酸素は、酸化物の形で豊富にあるが、還元を行うための水素、水素化合物が少ない。
炭素もほとんどない。

しかし…
• NASA月面鉱物観測機がとらえた月の南極と北極に分布する氷• クレーターの底の永久影に集中。
南極

https://www.excite.co.jp/news/article/Hazardlab_26103/

北極5

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探査のベース基地として想定されている「月」

月では、水資源採掘の見込みが出てきたことにより、エネルギーキャリアとしての水素が注目されつつある。

エネルギーとなる資源と、キャリア（媒体）の選定●資源：水←現地調達できる●エネルギーキャリア：水素・酸素←現地製造できる●貯蔵方法：液化し、金属酸化物で製造した容器に貯蔵 ←現地製造できる●必要機器：水電解・液化装置←これは地球から運ぶ6

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探査のベース基地として想定されている「月」• 月では、水資源採掘の見込みが出てきたことにより、エネルギーキャリアとしての水素が注目されつつある。
• 日本が国策として推進する、「水素社会」との接点がある。
• 日本企業の得意分野。
地球規模の問題を解決する手段を提供
地球外資源の利用

再使用宇宙輸送系研究

地球温暖化の解消
超低コスト宇宙輸送
地上で水素が大量に使われることにより燃料代が低下し、更なる宇宙輸送コストの低減が期待できる

ｲﾝﾌﾗ構築に向けたｽﾋﾟﾝｵﾌ

無尽蔵でクリーンなエネルギーの供給

一般大衆の宇宙旅行

宇宙太陽発電所

液化水素産業

水素をエネルギー媒体とする社会
再生可能エネルギー

ゼロ･エミッション社会の実現
低炭素化社会発電
燃料電池による発電

送電
液体水素を冷媒とする超伝導技術を用いた送電

水素を媒体とするエネルギーの平滑化
電力貯蔵
液体水素温度での超伝導を利用した電力貯蔵7探査の将来を考える勉強会

日本の水素社会実現戦略の経緯
なぜ、日本は世界に先駆けて水素社会を実現しようとしているのか？
二つの目的①エネルギー自給率の向上
第１次石油ショック（1973年）を契機に、石油代替エネルギー開発の一環として、水素エネルギー技術開発が1974年より開始された。
②地球温暖化の防止
気候変動に関する国際連合枠組条約の京都議定書（1997年）を契機に、温室効果ガスの中で、最も大きな割合を占める二酸化炭素の排出を抑制する「低炭素：カーボンフリー社会」を構築するための活動が本格化した。

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探査の将来を考える勉強会

日本の水素社会実現戦略の経緯• 2017年12月 水素基本戦略の制定• 燃料電池から、大規模水素サプライチェーンと水素発電の実証へ！

水素基本戦略のシナリオ

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探査の将来を考える勉強会

日本の水素社会実現戦略の経緯• 2010年頃から、共同での研究開発を実施するようになった（宇宙と水素の接点）。
• 水素の大規模利用→高圧水素ガスに加え液体水素の利用が拡大→ロケット技術と共通。
• JAXAとしても、成果が再使用ロケットや将来輸送システムの実現に繋がると期待。
水素エネルギー関連技術開発
1970

1975
▼73

1980

1985

1990

1995

2000

2005

2010

▼97

▼79

▼74-92▼93-01

サンシャイン計画

ニューサンシャイン計画▼78-92

ムーライト計画

2020▼14▼202025

エネルギー基本計画 東京オリンピック

COP3(京都)

第２次石油ショック
第１次石油ショック2015▼03-07▼13-17▼08-12

水素利用技術研究開発事業
水素安全利用等 水素製造・輸送・貯蔵基盤技術開発 システム等技術開発▼11-20▼05-09▼93-02

水素社会構築共通基盤 ALCA先端的低炭素化技術開発(JST)整備事業(NEDO)

WE-NET▼14-18SIP-JST

▼98-11▼12-15▼16-20▼11-15▼16-20

再使用ロケットの研究開発再使用観測 再使用ロケット実験機 RV-X
▼93-00
ロケット技術実証「RVT」▼73-87 液水液酸ロケットエンジンの研究開発
有人宇宙輸送システムの検討「観光丸」▼81-86

H-Iロケット開発▼86

液体ロケット関連技術開発▼86-94

H-IIロケット開発

H-Iロケット打上▼94▼96-01

H-IIAロケット開発▼01

H3ロケット開発
基幹ロケット高度化開発▼07

H-IIロケット打上 H-IIAロケット H-IIA民間移転
打上

▼15

▼20

H3ロケット打上
H-IIA
高度化打上

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探査の将来を考える勉強会

日本の水素社会実現戦略の経緯• 2010年頃から、共同での研究開発を実施するようになった（宇宙と水素の接点）。
• 水素の大規模利用→高圧水素ガスに加え液体水素の利用が拡大→ロケット技術と共通。
• JAXAとしても、成果が再使用ロケットや将来輸送システムの実現に繋がると期待。

KHI

LNG機器(-161℃)を液体水素(-253℃)に対応させるための技術開発が必要

HySTRA

液体水素によるエネルギー
サンプイチェーン *1

従来のLNG等によるエネルギーサプライチェーン

能代ロケット実験場と宇宙研の液体水素技術が貢献
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日本の水素社会実現戦略の経緯• 現在進行中のNEDO助成事業 「水素社会構築技術開発事業／大規模水素エネルギー利用技術開発」• JAXAは、液体水素サプライチェーン関連設備の研究開発を企業と共同で実施中。

液体水素受入基地および発電設備への供給プラントの主要機器構成

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水素の安全利用の実際
常時取扱者として
 基本的に、水素は怖くない。妙な反応を起こすことがない。
 静電気と滞留、火気の不意な接近さえ気をつければ水素と触れていても大丈夫。
 静電気除去は衣服、靴含めて対策が浸透。ただし乾燥している場所、アースが取れていな
いところでの取り扱いは怖い。
 水素で事故を起こさないような環境と技術を作り、恐怖心を少しづつ除去していく。
 とにかく事故を起こさないことが肝心。

制御された水素爆発実験
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水素技術の宇宙対応••••

持続的宇宙探査では、水素技術の宇宙対応が求められる。
ロケット上段技術も活用される。
月面車、水素製造・貯蔵設備の検討も始まっている。
東京オリンピック後の水素ブームの次の波になる可能性。水素社会構築にも貢献。

探査の将来についての私見• 日本では、超大型ロケットの開発運用は困難＞宇宙輸送機は大型化するほど成立性があがる。
＞米国の超大型ロケットには、輸送コストの面で、どうしてもかなわない。
＞道路の大きさ、歩道橋の高さ、建物の大きさ、実験場規模など、日本の制約。
＞北海道…
• 日本の強み：新幹線のような信頼性の高さ• 日本は有人を目指すべき。
• JAXA探査や天文台は月に移転

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参考15

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日本の水素社会実現戦略の経緯
水素の製造技術①水蒸気改質 （外販用の水素製造工場、家庭用燃料電池）
天然ガス [ CH4]
水 [H2O]

水蒸気改質
反応（吸熱）

熱（800℃）

95%水素 [H2]高品質水素 [H2]PSA精製

CH4 + H2O → CO + 3 H2 - 206 kJ
CO + H2O → CO2 + H2 + 41 kJ

CO2排出＝1 kg-CO2/Nm3-H2

PSA 圧力スイング吸着法②副生水素（製鉄所）

ボイラ用燃料として利用

鉄 [Fe]
石炭 [C+H2O]
鉄鉱石 [Fe2O3 ]70億Nm3

COG

50%水素 [H2]高品質水素 [H2]
PSA精製

コークス炉（乾留）

熱（1300℃）

CO2排出 NA

水素還元製鉄用③副生水素（食塩電解工場）
水酸化ナトリウム[NaOH]
塩素 [Cl2]

ボイラ用燃料として利用
10億Nm3

水 [H2O]
食塩 [NaCl]

高品質水素 [H2]
CO2排出 NA

電気

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日本の水素社会実現戦略の経緯
水素の製造技術④水電解
水 [H2O]

高品質水素 [H2]
電気（5.3kWh/Nm3-H2）

CO2排出＝0～1.78 kg-CO2/Nm3-H2

アルカリ電解法：陰極側では水素イオンが水素へ、陽極側では水酸化物イオンが酸素と水になる化学反応が起きる。
固体高分子電解法：触媒を兼ねた陽極・陰極の両電極が高分子でできたイオン交換膜(電解質層)を挟み込む構造。固体高分子形燃料電池(PEFC)とほぼ同じ。

⑤熱化学水素製造法（ISプロセス）水 [H2O]

複数プロセスによる水分解反応熱（1000℃）

高品質水素 [H2]
CO2排出 熱源による熱エネルギーを用いて水を分解し水素と酸素を製造する。水を直接に熱分解するには4000度以上の高温を必要とするが、熱化学水素製造法では複数の化学反応を組み合わせた化学プロセスによって、これより低温（1000℃以下）の熱を用いて水分解を行う。プロセスを構成する化学反応（以下、要素反応とよぶ）には、加水分解反応、水素発生反応、酸素発生反応などが用いられ、プロセス全体として、水の分解反応のみが正味の化学変化となるように構成される。

⑥光触媒
高品質水素 [H2]

水 [H2O]

CO2排出 NA

太陽光

光触媒に光が照射されると、触媒表面に電子と正孔が生成し、この電子が水の水素イオンを還元することで水素が得られる

探査の将来を考える勉強会

日本の水素社会実現戦略の経緯
水素の輸送・貯蔵技術

外販（化学、半導体）
水素 [H2]低圧水素 [GH2]

自家消費パイプライン

大気圧, 常温

家庭用燃料電池

都市ガス管混入

高圧水素 [GH2]
圧縮機

水素発電
FCV

82MPa, 常温

低圧水素 [GH2]液化水素 [LH2]
液化機

大気圧, 20K

圧縮機

ロケット用燃料
低圧水素 [GH2]アンモニア[NH3]出典 水素の製造、輸送・貯蔵について, 平
成２６年４月１４日, 資源エネルギー庁燃料電池推進室

アンモニア
合成

1MPa, 常温

脱水素

化学、発電
有機ハイドライド[C6H11CH3]

トルエン

圧縮機

大気圧, 常温低圧水素 [GH2]脱水素

圧縮機18