月面着陸パッドの建設方法には、月の土壌を電子レンジで加熱することが含まれる可能性がある

Aug 26, 2023

新たな宇宙開発競争において米国にとって月面基地の設立は極めて重要であり、そこに着陸するための宇宙船のための安全で費用対効果の高い着陸パッドを構築することが鍵となるだろう。

これらのパッドは、ロケットの噴煙を減速させる空気がないため、ロケットが離陸または着陸する際に、月の塵や粒子が時速 10,000 マイル以上の速度で周囲のあらゆるものにサンドブラストを吹きかけるのを阻止する必要があります。

しかし、資材や重機を33万マイル以上宇宙に運ぶと、すぐに法外な費用がかかるため、これらの着陸パッドをどのように構築するかはそれほど明確ではありません。

そのため、セントラルフロリダ大学の研究者らは、人や機材の安全を確保しながら、経済的で宇宙での建設が容易な月面着陸パッドを構築する方法を見つけるために、NASAの資金提供を受けたプロジェクトに取り組んでいる。 この研究は防衛・宇宙製造会社Cisluneが主導しており、アリゾナ州立大学の研究も含まれている。

研究チームは、マイクロ波を使用して月の土壌を溶かす方法と、UCF が開発した選鉱または選別技術を組み合わせた方法が最良の選択肢である可能性があることを発見しました。

この研究結果は最近、雑誌『New Space』とNASAに提出された報告書に掲載された。

「宇宙資源の経済的価値は非常に高いため、我が国が月面に存在することは戦略的に重要です」と氏は言う。フィル・メッツガー '00MS '05PhD 、研究の共著者。 彼は、UCF に拠点を置くフロリダ宇宙研究所の惑星科学者です。

米国はアルテミスミッションの一環として月に帰還することを計画しており、2025年にはアルテミスIIIの一環として初の有人月面着陸が行われる予定である。将来のミッションでは、生息地や資源採掘設備などが確立される予定である。

内側と外側の着陸パッドリングの異なる組み合わせを含む 4 つの異なる製造方法の分析に基づいて、月への輸送コストが上記を上回る限り、マイクロ波を使用した溶融 (または焼結) 方法が最もコスト効率が高いことが判明しました。新しい研究によると、1キログラムあたり10万ドル（1ポンドあたり約4万5千ドル）だという。

焼結は、磁場を使用して電子レンジで加熱可能な鉱物を表面に浮かび上がらせる、UCF が開発した新しい選鉱技術と組み合わせることで、さらに経済的になります。 UCFの研究者らは、最も電子レンジで加熱可能な鉱物の多くが最も磁性も高いことを発見した後、この技術を設計しました。 これらの発見は、NASA への新しい報告書に文書化されました。

「磁化率に基づいて粒子を選別することで、マイクロ波の吸収を70%から80%の範囲で増加できることを示しました」とメッツガー氏は言う。

研究者によると、建設プロセスは探査機によって土壌をすくい上げ、磁場で分別し、地表に戻し、マイクロ波で溶かすことで実施できる可能性があるという。

New Space の調査では、輸送コストが 1 キログラムあたり 10 万ドルを超える場合、2 番目に費用対効果の高い方法は、舗装機を使用した着陸パッドであることが判明しました。

さらに、輸送コストがキログラムあたり 10 万ドルを下回ると、規模の経済とロケットの再利用性により、ポリマーベースの着陸パッドが着陸パッドの外側部分を構築するための方法として、焼結や舗装よりも競争力のある方法になります。

それぞれの方法にはエネルギーや建設コストなどのトレードオフがあり、それを考慮する必要があるとメッツガー氏は言う。

「数値は、焼結が実際に最良の方法であることを示しました。焼結にはある程度のエネルギーが必要ですが、そのエネルギーのコストは、建設費や消耗品を月に運ぶコストよりも低いからです」とメッツガー氏は言う。

シスルーン社の創設者兼最高経営責任者エリック・フランクス氏は、月や火星の地表建設は地球上の建設とは大きく異なると語る。

「コンクリートと鉄鋼は地球上で広く使用されており、豊富な水、石炭、空気を基盤とした産業の数千年にわたる発展と規模拡大によって生まれました」と彼は言います。 「他の惑星では化石燃料はなく、空気と水は金よりも価値があります。さまざまなプロセスが必要になるため、UCFとCisluneはマイクロ波焼結や土壌選鉱などの革新的なソリューションでこれらの問題を解決するために協力しています。」 」

研究者らは、UCF の Exolith Lab の高忠実度の月土壌模擬材を使用してマイクロ波と磁化率の実験を行い、コンピューター シミュレーションを使用してさまざまな月着陸パッド建設方法の経済コストをモデル化しました。

月の土壌模擬実験では、玄武岩質ガラス、青銅鉱、イルメナイトが最も磁性があり、マイクロ波に敏感な鉱物の一部であることが判明しました。

「私たちの結果は素晴らしかったです」とフランクス氏は言います。 「慎重に選鉱することで、レゴリスのマイクロ波加熱のエネルギー効率が劇的に向上するため、ソーラーパネルを持ち込むだけで、月の土を加工して着陸パッドや建物などの構造物を作ることができます。」

メッツガー氏は、この研究は月面での米国のプレゼンスを確立するために重要であるだけでなく、他国の設備や施設にサンドブラストを施さないことで外交関係を維持するためにも重要であると述べている。

「米国と、民主主義の価値観を共有する友好国の連合体にとって、宇宙で先頭に立って宇宙を共有する方法を確立し、宇宙から全世界に利益をもたらすための拠点を設立することが非常に重要だと思います。他人にやらせるリスクを冒すのです」とメッツガー氏は言う。

この研究の資金の一部は、NASA 太陽系探査仮想研究所、月および小惑星表面科学センター、および NASA 中小企業技術移転 (STTR) プログラムによって提供されました。

研究の次のステップには、マイクロ波加熱ハードウェアの改良されたプロトタイプを作成し、真空中の月のような条件で技術をテストするプロジェクトの開発が含まれます。

New Science 研究の共著者は、アリゾナ州立大学サンダーバード・スクール・オブ・グローバル・マネジメントのグレッグ・オートリー氏です。 FSI の科学助手であるダッカ・サプコタ氏は、磁気選鉱実験を主導し、選鉱レポートを共同執筆しました。

メッツガーはオーバーン大学で電気工学の学士号を取得し、UCF で物理学の修士号と博士号を取得しました。 2014 年に UCF に入社するまで、NASA のケネディ宇宙センターで 30 年近く働いていました。

研究タイトル: 建設方法の貿易研究による月面着陸パッドのコスト