第 3 回探査の将来を考える勉強会
2019 年 10 月 4 日＠X-NIHONBASHI

月面ラボを拠点としたその場資源利用
石川正道

内容
１．はじめに
２．大目標：宇宙惑星居住科学
３．月面環境とその場資源利用
４．先導する工学・技術の提言
５．まとめ
１．はじめに
本日は、月のその場資源利用に関して、数年来温めてきた考えをお話します。2018 年、米国より我が国に Gateway 計画への参加が要請され、2019 年 3 月には正式に国際協力のもとに進められることが表明されました。私は、国際宇宙ステーション計画の最初期から宇宙環境利用に携わることができ、本日に至るまで JAXA の方々を含め、多くの良い出会いに恵まれ、たくさんの経験と学びを得ました。ISS 計画から Gateway 計画への移行が円滑に進むことを願って、その一助になればと、これまでの経験を踏まえたお話をさせていただきます。
講演の内容は、我々の大目標である宇宙惑星居住科学について、月面環境とその場資源利用、先導する工学・技術の提言、及びまとめとなります。

２．大目標：宇宙惑星居住科学
日本人は、月に対する思いは昔から格別のものがある訳であります。これは主に詩歌、物語の世界の話であり、科学技術分野にて日本人の貢献が注目されたのは、かぐやのハイビジョンカメラをはじめとする各種観測に始まると考えています。実際のところ、月の科学は、アポロ計画以降にそれほどの進展があった訳ではありません。これからの活動によって十分キャッチアップできるのではないかと、自信をもらったのがかぐやの成果であると思います。
さて、JAXA は、宇宙科学研究の基本的スタンスを次のように整理しています。
●宇宙科学研究・戦略立案の基本的考え方
1. 宇宙・物質・空間は何故できたのかの解明
2. 太陽系と生命はどの様に生まれて来たかの解明
3. 衛星・探査機などの宇宙機システム及び宇宙輸送システムに関わる宇宙工学
技術の先導及び革新
4. 人類の活動領域を広げる研究開発
1

有人宇宙活動は、4 番目の人類の活動領域を広げる研究開発として位置付けられます。
それでは、これからの宇宙探査時代に向けて、私たちが誇れる蓄積はどこにあるかと言いますと、まさしく、四半世紀を越える国際宇宙ステーション（ISS）での宇宙環境利用の取組みなのです。ISS で得られた成果を基軸にいかに宇宙探査にチャレンジするかが、本日の私の講演のメインテーマである大目標「宇宙惑星居住科学」の論点です。この大目標は、2016 年に開催された「第 30 回宇宙環境利用シンポジウム」にて、私たち宇宙環境利用コミュニティがその総意として打ち出しました。そのミッションは、次の通りです。
●「宇宙惑星居住科学」のミッション
1. 宇宙環境を有効に利用して、ISS で研究されてきた重力の制約が無い物理・化学・生命現象の普遍性を追求し、地球以外の重力天体でも通用する科学知識の獲得を行う。
2. その成果に基づき、基礎科学、応用科学を惑星探査活動の観点から融合・発展し、人間科学、社会科学とも連携、英知を結集して、人類の活動を惑星へと拡大する長期居住を目指す。
3. 広く人類の生活・健康・医療・文化などへ還元し、生命を育む地球環境の成り立ちを深く洞察、保全する文明の発展に貢献する。
宇宙惑星居住科学の発想が必要なことは、最近富みに喧伝されている SDGｓ（持続可能な開発目標）の認識の高まりをみても明らかです。人口爆発、資源枯渇、地球温暖化など、どれをとっても、これから 50 年間で深刻な事態が生じるものです。宇宙惑星居住は、人類にとって不可避の選択肢となるに間違いありません。

地球生命の進化のタイムスケールで私たちの未来を考えよう !!

未来

宇宙惑星居住科学
現在“地球⽣命との共⽣”

物理科学

応⽤科学

人口爆発

⽣命科学
社会科学
芸術

資源枯渇

地球温暖化
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図１ 「宇宙惑星居住科学」のミッション2

次に、宇宙惑星居住科学を目指すにあたって考慮すべき視点を、戦略と課題として整理しておきます。
●宇宙惑星居住科学の実行戦略
１．月面の重力場（0.17G は、0G と 1G を補間する）を利用して ISS で行われた微小重力科学研究の成果を実証・発展させる。
２．重力惑星環境での生物生存性、閉鎖型生命維持技術など、宇宙空間にて人が持続的に生存し、探査活動を可能とするための科学研究、技術開発、実証を推進する。
３．月には大気がなく、重力も小さいことから、地球からの輸送と比べ大幅なコスト低減が可能となるなど、月の資源開発・利用による惑星探査の経済性を追求する。
４．我が国が今後進める小型月着陸実証機計画およびその後継機を見据えた、次世代月探査計画と整合する月環境利用ミッションを提案する。
●課題：“宇宙科学・探査ロードマップと整合させる”
１．これまでの宇宙環境利用は、ISS 利用をミッションの最終目標としてきたが、ISS を人類が惑星進出するための飛び石としてその機能を活用する。
２．「宇宙惑星居住科学」の当面の実行戦略は、月面および月周回軌道の利用とする。

３．月面環境とその場資源利用
次の話題は、月面環境とその場資源利用です。月面環境の特徴を整理すると次のようになります。
(1) 低重力場（0.17 G)(2) 極低温から高温までの大きな温度差 (ΔT=355 K)(3) 極めて希薄な大気（極真空）(4) 無地場(5) 太陽風プラズマの下での強力な放射線(6) 遮られることのない強力な太陽光と地球と異なる日変動、季節サイクル(7) レゴリス（石質粒状物質）と呼ばれる月面土壌（粒径：数ミクロン～数ミリ）
表１ 月と地球の環境データ比較

特 性月

地 球

1. 重力

1.62 m/sec2 （1/6 G）

9.81 m/sec2 （1 G）

2. 最低・最高気温-248℃（南極） 〜 107℃（中緯度）-89℃ 〜 58℃

3. 大気

104（昼）〜105（夜）分子/cm3

2.5 × 1019 /cm3

4. 磁場

024 〜 56 A/m

5. 地震エネルギー

2 × 1010 J/Yr （隕石衝突を除く）

1017 〜 1018 J/Yr

6. 自然放射線100〜7000 mSv （太陽粒子線）

2.4 mSv （世界平均）

3人が月面活動をある程度の期間にわたって持続するには、必要となるインフラの整備が急務となります。活動の初期から中期の段階において、必要となるその場資源利用のニーズについて以下に列記しました。質量が大きく、輸送コストがかさむと思われるもの、かつま
た安全安心の視点から、必要なものがすぐに調達できることに留意して整理しました。
●ミッションで消耗される物資①燃料②燃料電池用反応剤③生命維持システム関連消耗品●月面建設①放射線遮蔽構造
②着陸サイトの整備③微小隕石・離着陸時の粉塵防御構造●製造①交換部品の製造②質量の大きい単純物品（椅子、机、壁、パイプ、電線など）③増加する資源プロセス需要に伴う現地生産システム●エネルギー及び利用設備①太陽光発電②太陽熱エネルギー③燃焼エネルギー④廃棄物処理この通り、少し考えただけでも、その場資源利用の準備が必要不可欠となる事情が理解できます。
それでは、まったく生産基盤のない月面において、具体的にどのような技術開発に着手したらよいのか。まずは、利用し易い元素資源について、見てみることにします。
月は、地球型の鉱物組成を持っていると考えられておりますが、実際に月面ですぐに利用可能な資源は、地球上とはかなりの違いがあります。試みに、アポロ計画時代に月面で見いだされた主要５鉱物（10％以上の存在度）について見てみましょう。
●月面を構成する主要５鉱物：
Pyroxene（輝石：MgSiO3/CaSiO3/FeSiO3）Feldspar（長石：CaAl2Si2O8/NaAlSi3O8）
Olivine（かんらん：石 Mg2SiO4/Fe2SiO4）
Ilmenite（チタン鉄鉱：FeTiO3）
Spinel（スピネル：Fe2TiO4/FeCr2O4/FeAl2O4/MgCr2O4/MgAl2O4/Mg2TiO4）
月面の黒い平原いわゆる海に多いイルメナイト（チタン鉄鉱、FeTiO3）は、鉄やチタン、酸素を製造することができるため、有益な資源として期待されています。

4

アポロ計画で持ち帰ったサンプルについて、その構成元素を分類いたしますと、次の 6種に分類されます。興味深い元素群は、隕石の重爆撃によって濃縮された親鉄元素群です。先端技術において欠くことのできない、希少元素が数多く含まれております。
表２ アポロ採取試料に見出された元素資源
元素群
1. 主要元素

構成元素
O, Si, Al, Ti, Fe, Mg, Ca, Na（※）

2. 微量元素P, Sc, V, Cr, Mn, Ga, Sr

3. 非共存性微量元素

アルカリ土類（Caを除く）, REE,B, Zr, Nb, Sn, Hf, Ta, U, Th

4. 親鉄元素（隕石起源）

Fe, Co, Ni, Ge, Mo, Ru, Rh, Pd,Sb, W, Re, Os, Ir, Pt, Au

5. 揮発元素（太陽風・隕石起源）
6. マグマ活動・隕石衝突に伴って気化・移動する元素（※）

H, He, C, N, S, F, Cl
Cu, Zn, As, Se, Ag, Cd, In, Te,Hg, Tl, Pb, Bi（※）アルカリ元素（K など）は、マグマ活動によって気化、失われた可能性が高い。

現在、その場資源利用として最も期待されているのが太陽風・隕石起源の元素群です。特に、月面で利用可能な資源は、レゴリスと呼ばれる石質土壌です。数ミクロンから数100 ミクロンの粒径で、数十億年にわたる月面への隕石衝突によって飛散した粒子が降り積もったものと考えられています。次に、月面上に大量に存在する月面土壌レゴリスに含まれる有用元素について見てみましょう。
●月面レゴリス中の揮発性元素の特性
・太陽コロナから放出される荷電粒子（太陽風）は、主にヘリウムと水素。
・月には地場がないため、直接レゴリス表面中（<1 μm）に取り込まれる。
・隕石衝突による撹拌によって表層から 3ｍまでは存在度はほぼ一定。
・表面積の大きい微細粒子に濃縮する（例、H：150μg/g, <20 μmφ）。
・700℃の加熱で容易に気体として捕集できる。
表３ 月面レゴリス中の揮発性元素
元 素

存在度（平均）

備 考

ヘリウム（He）

4.2 ng/g

レゴリス ：3He/4He 4.8 x 10-4
地球大気：3He/4He 1.4 x 10-6

水素（H）
炭素（C）

46 μg/g
124 μg/g
81 μg/g

H2O 換算で、500 ml/m3715 μg/g
68 μg/g

他元素と比べて最大存在量

44 μg/g

同上

窒素（N）
イオウ（S）
フッ素（F）
塩素（Cl）

5

火山/炭素質隕石を起源
同上

サンプル毎の変動が大きいアポロ時代から興味が持たれているのが He です。He は、太陽風に最も多く含まれる成分であり、地球の存在度と比べて、レゴリス表面には多量の He が含まれます。注目されているのは、地球にはほとんどないヘリウム 3 の多さです。NASA が温めている構想の一つに、核融合炉で使用する燃料を月で採掘するというものがあります。重水素とヘリウム 3 との核融合は、中性子が発生せず、二次的にでる放射線量も少ないなど、比較的取り扱いやすいことから、核融合燃料として注目されています。
次に重要な元素が水素です。水の成分にである酸素はイルメナイトから比較的容易に抽出できますので、この水素が、現在月面で確実に利用可能な水資源となります。１立方メー
トル当たり 500cc が得られると推定されております。
水については、さらに楽観的な報告があります。ルナー・プロスペクター（NASA）による中性子分光データの解析から分かったことで、月の極地域の永久影の部分に大量の水素（あるいは氷）が存在する可能性がある、というものです。仮に、これを水に換算すると、土壌の 3～10％に相当すると推定されています。これが真実であるのであれば、人類にとっては大変ラッキーな贈り物となります。ただし、水として存在するかどうかは今のところ不明
で、月の極域に水があるかどうかという問題は、月探査において最もホットな話題となっています。

北極

南極

暗い領域に大量の水素が濃縮
Ref. National Research Council, The Scientific Context for Exploration of the Moon, The National Academies Press (2007)

図２ 月極地域での水素分布
それでは、月の資源利用に向けて我々はどのような準備を進めたらよいのでしょうか。
一言で言って、これから動き出す国際探査ミッションを見据えて、必要となるであろう合理的な開発プロジェクトを前もって準備することに尽きます。そのような考えの下に、私たちはGateway 計画が発表される前から、宇宙惑星居住科学の大目標を掲げ、月周回衛星および月面ラボで進めるべき、研究課題の芽だしを行ってきました。
図３には、現在進められている、あるいは計画中の JAXA 及び国際宇宙探査プログラムと宇宙惑星居住科学との連携をまとめてみました。
6

ISS は、2024 年以降も運用を継続することが方針として出されています。ISS では、微小重力科学、生命科学、宇宙医学の研究が、2008 年以来コンスタントに進められております。探査計画と連携を進める上で重要な戦略は、ISS 利用をいかに Gateway 計画、月面活動で必要な技術開発につなげていくかにあります。
重力天体探査プログラム化開始

2025

2021
SLIM：小型探査機

月移動探査：

2024～
アルテミス計画：

月

月周回軌道遷移ピンポイント着陸

月極域資源調査
重力天体表面探査

Gateway計画
有人月着陸 etc.

火星・小惑星
宇宙惑星
居住科学

2023

2030

重力天体
有人探査の時代へ

2020

2015

プログラム

高信頼性技術の実証探査に必要な技術の獲得

2035（NASA共同）2014-20
Hayabusa2:

有人火星着陸203X

サンプルリターン（NASA共同）

2008～ ISS 与圧部・暴露部実験

材料科学

流体科学

202X～ 月周回衛星実験・月面ラボ

基礎物理学

その場材料製造

月環 エネルギー開発
結晶成長
燃焼科学
ｺﾛｲﾄﾞ・ｿﾌﾄﾏﾀｰ
境利
資源開発・利用
生命科学 重力生物学 微生物生態学 宇宙環境暴露用
放射線生物学
圏外生物学
廃棄物･ﾘｻｲｸﾙ
装置・ｻﾝﾌﾟﾙ回収 計
画
宇宙医学
宇宙酔い
骨粗しょう症
長期宇宙滞在閉鎖型生命維持μG科学

図３ ISS と国際宇宙探査プログラムとの連携
次に、これまでの ISS 利用研究で得られた研究成果を、月環境利用計画へと軌道修正することが可能で、探査において必ず役に立つ工学あるいは技術群を、いくつか提案してみたいと思います。

４．先導する工学・技術の提言
私たちが今まさに進めている微小重力科学研究が、どのような探査技術の基礎となるかを、コミュニティでの議論を踏まえて表４に総括しました。
研究分野は、材料、流体、燃焼、化学工学、コロイド、基礎物理など多岐にわたります。こ
こでは、その場資源利用に絞って有望なテーマをご紹介します。テーマは、材料製造、エネ
ルギー開発、資源開発、生命維持システム、廃棄物・リサイクル、資源探査に係るもので、特に、日本のプライオリティーが高いものを選びました。
（１） その場製造（3D プリンター）（２） 熱エネルギー開発（３） 月面資源開発（レゴリス利用）（４） 水・空気環境浄化（５） 生活安全・リサイクル（６） 時間標準（GPS 周波数標準）7表４ 微小重力科学の宇宙探査技術への応用分野

微小重力科学

探査技術応用テーマ

材料科学

無容器プロセッシングを用いた高温融液の熱物性計測およびそれを用いた材料プロセス設計

・レゴリスなど惑星鉱物資源を原材料とした材料プロセス設計のための熱物性値取得
・その場資源利用を可能とする鉱物製錬・精錬、材料加工技術の開発

流体科学

表面張力が支配的因子となる気泡・液滴・液膜に関連した気液界面現象の解明と熱物質輸送制御

・探査居住モジュール熱制御技術、宇宙機流体制御技術の開発
・微小重力、低重力下での積層造形（3Dプリンター）技術の基礎となる
溶融凝固過程のシミュレーション

燃焼科学

微小重力利用による燃焼素過程解明と燃焼限界の取得

・有人活動において必要な宇宙火災安全確保のためプロトコル確立
・月面極域に存在する水素を利用した熱源の開発と利用システム設計
・燃焼による廃棄物の減容処理

化学工学

重力変動の影響を受けにくい宇宙環
境での持続可能なリサイクルシステ
ムの構築

・有人探査に向けた空気再生および水再生など生命維持・リサイクル技術の高度化・水素、酸素、水の循環的利用を可能とする光触媒プロセスの設計
・日本の強みである環境技術を微小重力、低重力、可変重力場での単位操作技術に再構築

コロイド界面科学

微小重力、低重力、可変重力場での物理、化学、生物など分野を横断す
るコロイド界面科学の再考

・粒子の自己組織化原理の材料プロセス、リサイクル技術への応用
・界面活性剤による界面制御、物理表面の濡れ制御、電場効果のバイオ テクノロジー応用
・食品の保存処理、日用品など生活関連資材への応用

基礎物理

プラズマおよび低温環境における多体系量子・物理現象の解明

・レゴリス粒子のプラズマ特性評価と材料プロセス技術への応用
・生命と真空、高エネルギー環境との相互作用の解明
・光格子時計を用いた超高精度時間測定と各種精密測定技術への応用共通技術
実験手段

その場分析・観察、ロボット技術

・化学分析、ゲノム、プロテオーム、メタボローム解析など・実験の自動化､遠隔操作などテレサイエンスの高度化

ISS, DSG, 小型衛星、月面ラボ

・有人、無人、衛星、月面実験など実験手段の多様化と連携運用（１）その場製造（3D プリンター）①月レゴリスの静電浮遊熱物性評価（ISS 利用）②レゴリス利用積層造形のための溶融凝固シミュレーション③宇宙その場製造を目指した金属積層造形プロセスの最適化

ISS-ELF①浮遊メルトの熱物性計測（ELF）

レゴリス試料②溶融凝固シミュレーション
半導体レーザOutlet gas

Inlet gas③金属積層造形プロセス最適化

高速度カメラ
O2センサ
ハーフミラー
O2センサ

真空ポンプ

石英チャンバ
フィルタ

試料ホルダ

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（２）熱エネルギー開発①ランキンサイクルを用いた月面エネルギー供給システム②月で得られる水素を利用した循環型燃焼装置（熱源）の開発③パーシャルグラビティ環境での火災安全プロトコルの構築①月面エネルギー供給システム
沸騰－凝縮サイクル②水素を利用した 燃料循環型燃焼器
Combustion chamber

H2O2

燃焼室

O2/Ar

Ar

Electric
電力 power
H2 tank

材料選別

H2O/Ar(1)
O2 tank

熱③火災安全プロトコル（ISS利用）

電気分解
Electrolyzer

Condenser
凝縮器

Heat
熱

微小重力下の燃焼限界

燃焼抑制

H2O

(1)

Electric
電力 power

燃焼検知（１）ポンプ(1) Pump（３）月面資源開発（レゴリス利用）①プラズマ‐レゴリス相互作用による微粒子制御と水素回収②月レゴリスからの酸素、水素および水の製造技術③その場資源利用を可能とする鉱物製錬・抽出プロセス①レゴリス粒子のプラズマ制御
レゴリス採集③鉱物製錬・抽出プロセス

水素回収
回転（遠心力）②酸素・水素・水の製造
月レゴリス

界面活性剤

レゴリス電解装置開発

レゴリス加熱装置開発

１）酸素製造装置

２）水素製造装置
H2zzzzz O

H原子2Mn+zzz
原料溶液

O2-燃料電池装置開発

O2H2３）燃料電池反応による水製造装置

ガス 界面活性剤

1/2 O2 + H2 → H2O

9（４）水・空気環境浄化①マランゴニ流を用いた水浄化実験②匂い環境計測及び光触媒による浄化実験③自己集積型コロイド光触媒①マランゴニ流駆動水浄化

アンモニアガス
ラシヒリング②光触媒利用脱臭装置

従来の蒸留塔ラシヒリングをマイクロ流路に替える③自己集積型高活性光触媒（５）生活安全・リサイクル
非平衡コロイド分散系のダイナミックス実験（ISS 利用）①生活資材の加工②閉鎖循環型生命維持技術③廃棄物の再資源化• 分離操作技術（解乳化、凝集）• 廃 棄 原 料の 加 工 ・リサイクル技術• 宇宙惑星居住に適した閉鎖循環型システム設計

廃棄物
再資源化

生活資材加工生命維持10• コロイド分散系（エマルション、サスペンション、エアロゾル、泡沫、など）の重力場研究• 界面活性剤の機能• 界面制御（濡れ、撥水・撥油）• 分子集合体の制御、自己組織化の原理

（６）時間標準（GPS 周波数標準）
光格子時計による超高精度周波数標準（共通時間標準）①天体観測や月・地球観測の精度向上②月面ローバー探査測位・精密自動制御③月地殻変動の測定④月面重力アノマリー観測に基づく資源探査、など

２台の低温動作・光格子時計を比較する
時間を18桁の精度で測定※従来のCs時計は15桁

相対論測地学

超精密な光格子時計は重力ポテンシャル計になる
２点間原子発光の周波数ずれを計測
親機と子機間で重力差計測が可能※2cmの高低差を計測実証済み

５．まとめ
最後に、いよいよ始まる有人惑星探査の時代に向けて、微小重力科学研究コミュニティが連携して進めるべき方向性についてまとめておきます。
①ISS 科学研究の成果の実証・発展
月面の重力場（0.17G は 0G と 1G を補間する）を利用して、ISS で行われた微小重力科学研究の成果を実証・発展させる。特に、極低温、低磁場、太陽放射線など月環境固有の特性と組み合わせることによって、地球環境では困難な科学研究（物理科学、生命科学、応用科学）を推進する。
②有人惑星探査の経済性・安全性の追求
有人宇宙活動を月及び火星にまで広げるためには、快適な衣・食・住、エネルギー供給、通信網、製造・リサイクル、その場資源利用など、惑星居住に関わる技術開発が避けられない。そのために我が国に優位性のある地上技術の橋渡しを進め、月惑星探査の経済性・安全性を高める技術の確立に貢献する。
③JAXA・大学・民間の垣根を越えた宇宙実験プロジェクトの推進
国際協力の下に Gateway 計画・有人月探査計画が進む中、我が国の小型月着陸実証機計画、これに続く後継ミッションを見据えた研究プロジェクトを大学・国研・民間の協力の下に推進する。
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謝辞
微小重力科学を惑星居住技術へと応用展開するにあたって、以下の皆様から極めて示
唆に富むご提案をいただきました。この場を借りて、篤くお礼申し上げます。
領域
材料科学

流体科学

燃焼科学

化学工学
コロイド
界面科学
基礎物理
実験手段

工学・技術提言

提案者

・月レゴリスの静電浮遊熱物性評価

JAXA 石川毅彦

・その場資源利用を可能とする鉱物製錬・精錬プロセス

大阪大 岡野泰則

・宇宙その場製造を目指した金属積層造形プロセスの最適化

千葉工大 小澤俊平

・レゴリス利用積層造形のための溶融凝固シミュレーション

JAXA 松本 聡

・ランキンサイクルを用いた月面エネルギー供給システム

兵庫県立大 河南 治
室蘭工大 今井良二

・パーシャルグラビティ環境での火災安全プロトコルの構築

北海道大 藤田 修

・月で得られる水素を利用した循環型燃焼装置の開発

日大 野村浩司

・月レゴリスからの酸素、水素および水の製造技術

同志社大 後藤琢也・マランゴニを用いた水浄化実験

大阪大 岡野泰則

・匂い環境計測及び光触媒による浄化実験

東京理科大 木村真一

・自己集積型コロイド光触媒材料

名古屋市立大 山中淳平

・非平衡コロイド分散系のダイナミックス実験

千葉科学大 山下裕司

・プラズマーレゴリス相互作用による微粒子制御と水素回収

京都工繊大 高橋和生

・地球・宇宙空間を含めた超高精度周波数標準の構築

理化学研究所 香取秀俊

・多様な小規模実験プラットフォームの確立

神戸大 上野宗孝12