第2回 宇宙探査オープンイノベーションフォーラム

2016.3.29

現地資源からの建設資材の製造システム
Production system of construction materials
from in-situ resources
佐藤久夫（三菱マテリアル㈱）木村勇気（北海道大学）
小松隆一（山口大学）
畑中菜穂子（有人宇宙システム㈱）村本知哉（㈱IHI）
岡利春（㈱IHIエアロスペース）石川洋二（㈱大林組）
Hisao Satoh (Mitsubishi Materials Corporation)
Yuki Kimura (Hokkaido University)
Ryuichi Komatsu (Yamaguchi University)
Naoko Hatanaka (Japan Manned Space Systems Corporation)
Tomoya Muramoto (IHI Corporation)
Toshiharu Oka (IHI Aerospace CO., LTD.)
Yoji Ishikawa (Obayashi Corporation)

1

研究の背景NASA: 2030年代半ばに有人火星探査を計画
JAXA: 2025年に月に有人基地建設を計画⇒月面基地の研究が活発化

月に行く目的

月面環境

・活動領域を拡大するための拠点・温度が両極端（最高：110℃最低：-170℃）

・科学的探査、観測を行うための拠点

・超高真空(10-5 Pa)・資源開発（ヘリウム３）

・重力が地球の1/6

長期間安全に生活するために月面基地が必要
問題点
運搬コスト(１kgあたり10万ドル)が莫大
出典 畑中菜穂子 ルナ・コンクリート──月の砂から生まれる建設材料（2006年)

月面にある材料を使うことが重要
2

研究目的
月表層にある土壌＝レゴリス（微小天体・隕石の衝突によって生成した月面を覆っているガラス片、粉末）

特徴
粒径 10~数100μm（平均的な大きさ65μm～70μm以下）
平均厚み5メートル（最大厚み30メートル）覆っている非晶質（ガラス）を約60%含む

既往の研究

レゴリスから固化体作製法（コンクリート、焼結体, ガラス等）
加熱装置の運搬、組み立て、運転コストを考慮しなければならない。
研究の目的

ジオポリマーの原料物質を地球表層の土壌やレゴリスから抽出し、その固化体を製造するプロセス、ならびに現地資源から焼結材を迅速製造・利用するプロセスにおける必要エネルギー（W/(ton/day)）を導出する。
3

研究対象
焼結材、ジオポリマー（GP）の2種類の建設資材●焼結材製造工程
原料の投入⇒加熱（700～900℃）⇒ブロック完成●ジオポリマー製造工程（従来式）
原料の投入⇒加熱（700～900℃）⇒フィラー（結合剤）取り出し⇒原料（砂・骨材）添加・混練⇒養生（50～150℃）⇒ブロック完成

原料

建設資材の用途

レゴリス・シミュラント/玄武岩粉砕物 月面基地
粘土（ベントナイトなど）

発展途上国レンガシラス（火山灰）
スラグ廃材

一般建設用スラッジ（浄水汚泥）4効率的な焼結材（レンガ）製造手法の研究
１．焼結材とは？
粉体を型枠に入れ、ソリダスもしくはサブソリダスで固化させる手法。
レゴリスシミュラントでは地上のコンクリートと同強度のブロックが製造可能（2013年: JAXA星野氏、若林氏、吉原氏、JAMSS畑中）。
•メリット：•デメリット：

水を使うコンクリートに比べ工程が簡単。高強度。
現地材料のみで製造可能。
高温処理が必要。
厚いブロックでは時間がかかる。
●実験
最低温度Tm、Tm＋50度で焼結実験

●SINDA解析
焼結中のブロック内や炉内の温度分布解析

２．研究目的
••製造の最低温度（エネルギー）の測定– DSC測定– MELTS解析
焼結時間が最適なブロック厚の算出5効率的なジオポリマー製造手法の研究
１．ジオポリマーとは？

コンクリートパンテオン(AC128)
ジオポリマー

古代ローマセメントとして知られる人工岩石系建設材料。水ガラスとフィラーと呼ばれる結合剤を使用し、脱水重合によって固結する。
耐酸アルカリ性、耐熱性に優れ、長寿命。ジオポリマーの構造は化学組成に依存し、強度も変わる(Davidovits, 1988)。
• メリット：
製造工程におけるCO2排出が少なく、環境にやさしい。高強度で、様々な形状の材料が製造可
コンクリートとジオポリマーの酸浸能。固化後に水を回収できる。
漬実験（鉄道総研報告：より抜粋）• デメリット：
水を必要とし、水ガラス(Na2SiO3∙9H2O)を使う。
焼結材に比べ、工程が複雑。
鉄道総研

２．研究目的••従来のジオポリマーの固化工程を簡易にする、新しいジオポリマー製造手法を開発する。
製造の最低温度（エネルギー）の測定

ジオポリマーの混練工程
西松建設HP：より抜粋
6

地産地消型ジオポリマーの開発•“GP-A”

従来の水ガラス添加法は地産地消ではない。水だけで現地原料を固化させる新手法を開発する。

GPフィラーを水和

Al2O3
K2O
Silicatemineral

Al2O3
Na2O

K2O

Al2O3

Na2O

K2O

SiO2

Minimum melt

Silicatemineral

SilicatemineralSiO2Minimum melt

Silicatemineral

Al2O3
K2O

Al2O3

SilicatemineralK2O
Silicatemineral•Na O SiO
GPフィラーを最適な焼成温度で現地原料から作り、原料と混ぜて水和させて固化させる(GP-A)。
GPプライマーを浸透HO
2

Minimum melt2Na2O

SiO2Minimum melt
Na2O

SiO2

Minimum melt

現地原料

“GP-B”

2•

GPフィラーを溶脱させてGPプライマーを抽出し、これを原料に浸透させて固化させる(GP-B)。

K

現地原料

Na

現地原料

SiO27

必要な水の量（１トン固化体の製造）
製造物と原材料
GP固化体
GPフィラー、プライマー
GP固化に必要なナトリウム
GP固化に必要なシリカ

GP固化に必要な水重量（トン／日）

1.00
0.20
0.03
0.04
0.11

情報
達成目標値
Na2SiO3-9H2Oとして20 wt.%混合
0.2 x 2Na/Na2SiO3-9H2O
0.2 x SiO2/Na2SiO3-9H2O

0.2 x 9H2O/ Na2SiO39H2O

GP固化後に回収可能な水 0.05

Na2SiO3-9H2OからNa2SiO35H2Oに脱水したとしてナトリウム源としての現地の土壌月面レゴリス(Na2O = 0.6 wt.%)として7.30

従来の手法では、1トンのGP固化体に要する水は110 kg。
GP固化後、水は回収可能（GPの脱水挙動に依存）。
8

ブロック系建設資材・固化体のメリット•

高強度、高耐久性•

鉄道の枕木として使用できる（オーストラリア）

放射性廃棄物の安定化

汚染土壌のセシウムやヨウ素を閉じ込めて安定化かつ減容
福島第一発電所

・ 自律的な構造物が建設可能

宮本(2015, 原子力学会
秋の大会）

福島第一汚染土壌

アーチ列を繰り返し組み立てて行けば、奥行きのあるヴォールトを建設可能

9今後の発展に向けて今年度の研究テーマ• 加熱手法の研究• 材料研究製造に必要な温度、時間、エネルギー等を算出。

炉のコンセプト検討、熱効率などの検討を踏まえた、実用的な製造エネ
ルギーの導出• ブロックの設計・施工・建設手法の研究

もし来年度以降も研究が続けば・・・
3テーマをさらに発展
10廃材を固化・安定化させる新しいジオポリマー
スラグ

火山灰や汚染土壌

http://www.mmc.co.jp/naoshima/products/copper_slag.html

http://www.mech.tohoku.ac.jp/sena/series29/vol2/vol2-1.html

http://www.imart.co.jp/fukushima-genpatuhoushasen-eikyou-old25.9.26.html

石炭灰

汚泥

製品化を目指します。
http://www.kenmori.biz/dry%20explanation.htm

低エネルギーGP
http://www.kyudensangyo.co.jp/corporation/recycle/

廃ゼオライト

H2O
http://www.chuden.co.jp/corpo/publicity/press2004/102
7_3.html

水は回収可能11

ブロックの設計や施工の研究 ＜今後の発展＞• 舗装ブロック
砂地やぬかるみを整地しなくても、舗装に使用できるインターロッキング・ブロック

・ ドームやアーチ構造物
モルタルのような接着剤や鉄骨無しで組立てられる構造物

アーチ列を繰り返し組み立てて行けば、奥行きのあるヴォールトを建設可能

12

おわりご清聴ありがとうございました。

13