第2回 月面建設技術シンポジウム

建設分野の宇宙事業参入加速に資する
アナログサイトの試案
宇宙航空研究開発機構

施設部

星之内 菜生阿波田 康裕建設分野の宇宙事業参入の取り組み
スターダストプログラム（国交省）宇宙無人建設革新技術開発• スターダストプログラム 2021年～• 月面開発・衛星基盤技術の強化など、各省の縦割りを排し連携して取り組むべき研究開発プロジェクトを推進するため、内閣府宇宙政策委員会が主導する枠組み

30.5

無人建設、建材製造、簡易施設建設の3部門で合計12案件の研究が進行中

国土交通省

16.8 農林水産省
134.1

47.5
総務省

内閣府

72.2

2021~2024年の4年間で総計394.8億円

文部科学省

経済産業省

2024年度は118.6億円の配算予定

93.7
配算額はスターダストプログラム全21案件中6位

今回は宇宙事業のうち「月拠点建設」に注目する

順位

番号

案件名

1

R3-04 小型SAR衛星コンステレーションの利用拡大に向けた実証2

R3-02 月面におけるエネルギー関連技術開発

3

担当省庁

合計

内閣府

72.2経済産業省
総務省

68.1

R2-01 衛星用の通信フルデジタル化技術開発

文部科学省

44.0

4

R2-03 小型衛星コンステレーション関連要素技術開発

経済産業省

35.3

5

R2-07 月面活動に向けた測位・通信技術開発

文部科学省

21.5

6

R3-01 宇宙無人建設革新技術開発

国土交通省

17.1

7

月面等における長期滞在を支える高度資源循環型食料供給
R3-03
農林水産省
システムの開発

16.8

1

JAXAの宇宙プロジェクトの進め方

宇宙機（Spacecraft）：
無人の人工衛星及び宇宙探査機の総称

JAXAでのプロジェクトの流れ
プリフェーズA
ミッション定義(概念検討)

フェーズA
概念設計

計画決定

要素技術開発

フェーズB

フェーズC

基本設計

詳細設計

BBM
ブレッドボードモデル

EM
エンジニアリング
モデル

フェーズD
フェーズE
製作 射場 初期 定常 後期
試験 整備 運用 運用 利用

PFM/FM
フライトモデル

フェーズF
破棄

段階的にモデルをつくりながら設計・開発が進められ、都度試験・審査が行われる！

BBM：一般用の部品及び材料等を用いて製作された簡易なモデル。質量、寸法及び宇宙環境への耐久性能は要求されない
EM：電気的及び機械的な設計をするために質量・寸法・電力などについて評価するモデル
FM：実際に打上げ運用されるロケット・人工衛星及びこれらのサブシステム又はコンポーネント

宇宙環境への適用
100近い技術資料が存在
微小/低重力真空ネットからだれでも見れる！

高温/低温

放射線など、、、

JAXA安全・信頼性推進部では衛星・ロケット・探査機等様々な宇宙機を開発する際の多くの標準（共通技術文書）を整備

2

宇宙機が受ける試験
参考：JERG-2-130D

宇宙機一般試験標準

プロトタイプモデル / プロトフライトモデルは、例えば熱真空試験において、宇宙の環境を模擬した左図のような温度 / 圧力下での試験を行う必要がある
フェーズが早い段階でのトライアンドエラーの機会が求められる3

アナログサイトとはNASA Analogs mission

Analogsomething that is similar to or can be usedinstead of something else:
Cambridge Dictionary より「アナログサイト」という言葉ははっきりとした定義がまだない。
今回は、「Analog」単語自体の定義に近い認識、環境試験設備も含む、宇宙環境を模擬した試験設備をアナログサイトとする。
©NASA

建設業界が関わる宇宙機に必要な実験ができる
敷居の低い
アナログサイトの建設©NASA• NASAのサイトでは特に「有人」月・火星探査を想定しており、被験者が存在するものが多い• 環境試験設備は掲載されていない

建設業界の宇宙事業参入を加速させる

×

地球上の建設業界を盛り上げる
設計・工事を行うのは建設業界

4

せかいのアナログサイト
BIOS-3 ＠シベリア
閉鎖系で植物を育成し、空気・水・一部の栄養素を循環。3人で6か月

＠マーシャルSFC生命維持装置の統合試験を行う

Lunar Palace 365 ＠北京

CEEF ＠青森

生命維持装置の実証（昆虫食を含む）
4人で110日間滞在

可能な限り閉鎖系で物質循環を模擬
2人で2週間滞在©WWW.NEWS.CNNSRL ＠ニューヨーク

©NASA

宇宙放射線の人体への影響を調べる

多胡ら
©NASA

https://www.ibp.ru/science/bios3.php:envihab ＠ケルン
CHAPEA ＠ジョンソンSC

ベッドレストで微小重力が身体に与える影響を調べる（約30日）

3Dプリントで作成
閉鎖環境での心理的影響を調査、4人で1年滞在

13mφスペースチャンバ
＠つくば
高真空や極低温、太陽光による高熱などの環境を再現©ESA

アンテナ試験設備＠インド
宇宙機の電波特性を確認する©NASA

Desert RATS ＠アリゾナ
ルナテラス ＠鳥取

船外探査ツールやオペレーションを確認
全体で200人規模の滞在

©JAXA

©ISRO

鳥取砂丘でロボットの実証実験ができる

Antarctic Stations ＠南極
越冬中の心理的影響を調査
4人で6か月滞在

主に詳細設計以降に使用すると考えるもの
主に概念検討に使用すると考えるもの

©NASA

©鳥取県

©NASA

5

ESA 今後の月探査のためのアナログサイト検討
Analogues for Preparing Robotic and Human Exploration on the Moon – Needs and Concepts,
ESA GSP Study, Contract 4000111890- ESAの新しいアナログサイト建設に関するスタディ (2014~2016年)
今後の月探査に向け、100名以上の専門家へのヒアリングを実施。アナログサイトの要求を下記6つに大別

現在ドイツケルンに、下記3つの設備を持つアナログサイトが建設中（2024年完成予定）① ISRU(その場資源利用)の実証(採掘・抽出など)①Gravity offload system
宇宙飛行士のための月重力模擬設備② 通信制約を伴う遠隔操作、ロボット協調の実証③ レゴリスによる汚染の防止・軽減の実証④ 新しい運用コンセプトの検証と妥当性確認⑤ EVAの実証(部分重力模擬)©ESA➁Regolith testbed area
月面地形模擬設備⑥ ECLSS(生命維持装置)の実証©ESA③LUNA energy©ESA

太陽光と水素の発電システム
実証設備

6探査ロードマップとの整合

引き続き建設技術はロードマップに記載されている
CN : Characteristics and Needs

FY2032に居住モジュール、FY2033に資源プラントミッション実施

UC : Use CasesCN162-L

Deploy and operate autonomous construction demonstration
utilization payload(s) to the lunar surface, including partial-scaledemonstrations of regolith management and construction ofstructures, to demonstrate scalable capabilities and applications.

UC142-L

Deploy and set up autonomous construction demonstration
utilization payload(s) on the lunar surface with long-term remote
operation

UC143-L

Demonstrate autonomous construction techniques, e.g., collection ofregolith, processing regolith into feedstock, and regolith
construction

スケジュール（案）

2024
概念検討
予算確保 設計

プリフェーズA

概念検討

2025
工事

2026

2027

2028

2029

2030

2031

2032

2033

2034

2035

（アナログサイト）

フェーズA
フェーズB フェーズC
概念設計 計画決定 基本設計 詳細設計

要素技術開発フェーズD
製作試験
射場整備（宇宙機）▼有人探査ミッション1▼(建機1) ▼(建機2) ▼居住モジュール▼資源プラント

土建分野の宇宙参入を加速させるために要素技術開発で使えるアナログサイトについて
今、動き出す必要がある

7

建設分野へのアンケート（概要）〇質問対象者
宇宙×土建 分野で活躍されている方々29名（匿名）〇質問内容
１．月探査に向けて、何に興味がありますか
例 ①1/6G下での液体の挙動を知りたい②真空（超低圧力状態）でのアクチュエータの挙動を知りたい・・・

２. １を実現するために、どのようなアナログサイトが必要ですか
例 ①10秒以上1/6Gを再現できる落下塔②汚れても良い真空チャンバ
・・・

得られたキーワード

熱重力

情報共有

真空レゴ
リス

閉鎖環境

日照

放射線

隕石

自立

デブリ

無人化

着火8

建設分野へのアンケート（回答例）
事前調査

性状把握

建設手法検討拠点設計• 縦孔・地下空洞を含む月面の地形の形状（でこぼこや斜度）・性状（カタい柔らかい）• 建設に用いることの出来る工法リスト• 閉鎖系の生命維持技術実証施設• 精密測量や拠点構築の手段• 与圧空間内の空気の対流• 拠点構築場所の環境条件の詳細（熱、放射線、スペースデブリなど。年間を通じた時系列的変化情報も含む）• 1/6Gでの3Dプリンタの挙動• 液体（特に手洗いや洗顔といった行動をとった時の水の動き。極微小重力下との違い）• 高真空、1/6G下におけるレゴリスの力学挙動（レゴリス-機械系/レゴリス構造物系相互作用）• 安価で大量に使えるシミュラント• 広大なシミュラントの実験ヤード• 月面の日照環境による標識の識別やカメラの性能• 1/6G、真空、極域温度条件でのレゴ
リスの焼成性状• 柔軟構造物の断熱性能• 月面環境を模擬した（例えば）直径40m級の大型真空環境施設（内部床には、模擬砂や模擬岩石を配する）（原子力発電所の格納容器のノウハウを利用して建設可能）• 外部の真空状態におかれた与圧空間
内部気温と筐体表面の温度（放熱）との経時的な関係• 効率的な冗長性の持たせ方• 外壁への結露の状況• 展開構造物等へデブリの衝突実験を行うことができる施設

火に関するもの• 月面での放射線状況での開発した計器の動作• 月環境下における、火薬や高圧ガスの取り扱い方法→1/6Gや放射線環境下における高圧ガスタンクの試験設備• 1/6Gでの燃焼性状、発生ガスの流動性状

・月面の重力/温度/気圧でのものの動きを知りたい• 火災が起きたときの最適な消化方法

・火に対する要望も多い• 金属サンダーで切断する際の火の粉の飛び方

9

提案内容
熱真空レゴ
リス

×

重力(1/6G)

火・・・

×

安価な月模擬砂 作成工場
（試験サイクルを加速）•

重力 ×
いろいろなもの

実現性新規性◎◎○概念検討宇宙実証2030年◎
概念検討
宇宙実証2030年

概念検討段階（開発初期）で検証が求められる実現のための技術は存在する（世界初の技術が求められるわけでない）
日本での実績が少ない

基本技術保有◎基本技術保有国内での実績は少ない（限定的）○
1/6Gの事例は少ない（限定的）

閉鎖環境(物質循環含む)

△

△

○

概念検討
宇宙実証2032年

基本技術未保有
海外では実証済み

物質循環も含めた
閉鎖系実験の実績
は少ない

宇宙放射線

◎○

△

概念検討
宇宙実証2030年

精密機械が苦手ないろいろなもの

••

熱真空 ×
いろいろなもの緊急性

隕石/デブリ

自立無人化

月面情報共有経産省主導で宇宙機の放射線試験環
境開発が進行中

△

○

△

概念検討
宇宙実証2032年

熱真空環境と組み合わた実験例あり

相模原のガス銃・チャンバで実験可
能

◎

◎

△

フィールド作成
実績あり

ルナテラス等で実験可能

◎◎

△

概念検討
宇宙実証2030年

キセノンランプで模擬可能

相模原宇宙探査実
験棟で実験可能

◎

◎

△

概念検討
宇宙実証2030年

各国の公開情報の整理で実現可能

月環境標準・ハンドブック策定が進行中

概念検討
宇宙実証2030

日照

基本技術保有10熱真空・1/6G 試験の現状
熱真空試験の環境条件

探査機の1/6G模擬•

筑波宇宙センターには13mφ、8mφの熱真空チャンバーがあり、共に太陽光を模擬するためのソーラーシミュレータを持っている• 供試体を吊り下げて実験を行っている•

液体窒素を用いた極低温環境（-170℃）以下を模擬できる。
13mφでは1.33×10-5Pa以下（真空排気約15時間）を再現できる• MRIの報告資料では、月シミュラント上での走行実験結果では、1G場では問題なく走行可能だが、1/6Gでは空転して前進不可と記載あり•

各種センサを搭載した衛星等も同じ設備で試験するため、場を汚すことは厳禁

宇宙環境が詳細に再現されている
利用の敷居が低いものがほしい（令和３年度宇宙開発利用推進研究開発（月面におけるエネルギー関連技術開発（技術課題整理））報告書）

砂粒子も含めた低重力環境の模擬設備がほしい

©JAXA
©JAXA
©JAXA
LUPEXの走行試験 ©JAXA©NASA/Dominic Hart

©NASA/Dominic Hart

X線分光撮像衛星(XRISM) スペースチャンバ搬入時の様子

©JAXA

©ISRO
Chandrayaan-3の実験

ソーラーシミュレータ：均一に横方向から光を照射できる©NASA
2019年時点の探査車の走行距離11せかいの Dirty / Dusty チャンバ
レゴリスを入れられる、汚れても良い熱真空チャンバが各国で整備されている
研究期間

ESRIC

KICT

NASA

European Space Resources
Innovation Centre

韓国建設技術研究院©KICT©ESRIC©NASA

名前

GRC “Dirty” Vacuum Chamber(VF13)

Dirty Thermal Vacuum Chamber(DTVC)

Dusty Thermal Vacuum Chamber：
DTVC

完成年

少なくとも2014年には存在

2020年

2025年予定大きさ

D＝1.5m, H=2.52m, 6.35m3

4m×4m×4m, 50m3

-温度

-193℃~-190 ~ + 150 ℃-180~160℃

真空10-4 Pa

10-2 Pa

10-4 Paメモ

最大1tの月模擬砂を入れられる
2023年にはレーザーを用いてレゴリスから物質を取り出す実験を実施

ISRU（その場資源利用）技術の検証目的
25tの月模擬砂を入れられる

月模擬砂をチャンバーに入れ、防塵性能等を検証する

インドでも月模擬砂を10~20cm敷き詰められる熱真空チャンバの研究が行われている（K. Durga Prasad et.al “Development of a chamber to simulate lunar surface environment”, 2020）

12

1/6G の模擬要素技術開発に気軽に使えるアナログサイトとしては頻度高い実験が可能な落下塔が最適
きぼう実験棟のCBEF

パラボリックフライト

落下塔©JAXA/NASA©JAXA©HASTICしくみ

ISSの無重力下でターンテーブルにより人工重力を発生させる

航空機が放物線運動することで機内を低重力環境にする

カウンターウェイトを持った滑車など
抵抗発生機構を用いて自由落下させ、供試体内部を低重力(1/6G)環境にする

既往実験

尾崎ら, 月模擬砂を含む粉粒体の質量流量/かさ密度と重力の関係の解明, 2020

牧ら, 月模擬砂粒子の浮遊拡散挙動の解明, 2013 など

馬場ら, 下塔を用いた探査機が天体接触時に飛散する砂の飛散挙動評価手法の構築, 2020 など

継続
時間

長時間

30秒程度

1.6秒（高さ14m）

頻度

テーマ選考から宇宙実験まで数年

1日1フライト

1日に20回程度（高さ55m）

他の方法に比べ高価
試験品の制約が大きい（各審査会を通過する必要がある）

運営企業が限られている
4人貸切で1フライト360万円
https://www.jsforum.or.jp/other/zerog/

試験機器が破壊される可能性がある
1回の落下 3万円（高さ55m）
http://dokei.net/conts.php?nid=287

特徴13提案するアナログサイト③ 安価な月模擬砂 作成場① 汚れていい熱真空チャンバ• 大きさ：1m3• 圧力：10-3 Pa
真空排気時間4時間以内（参考：筑波宇宙センター1mφチャンバ）• 温度：-170~160℃• 参考費用：筑波の1mφチャンバでは設備利用費1日約4万円② 1/6G落下塔• 高さ：30m、1/6G継続時間3秒（参考：弘前大学の落下塔14mで1/6G継続時間1.6秒）• 参考費用：北海道55mの微小重力落下塔で1落下3万円

高頻度の実験を可能にするため、安価な月模擬砂生成場を併設

化学組成が模擬された月面模擬砂は価格が高く、例えば相模原の宇宙探査実験棟は硅砂が敷き詰められている

×→ 物性のみを模擬した安価な模擬砂を作成

地球に持ち帰られた月レゴリスの拡大写真
https://www.lpi.usra.edu/lunar/samples/atl
as/compendium/10085.pdf

高炉スラグ細骨材
https://www.jfesteel.co.jp/products/slag/b09.html

粒子形状が類似する入手しやすい材料の使用を想定

3設備を併設することで頻度の高い実験を可能にし研究開発・プロジェクトを加速させる～Future Work～ （社内公募研究などを活用）• 要求性能・費用の精査、体制の検討• 1/6G模擬の落下塔機構の検討• 物理組成をあわせた月模擬砂に適する材料の検討

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