月を電子レンジで加熱することは宇宙への進歩に役立つかもしれない

Sep 05, 2023

NASA

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NASA のアルテミス ミッションの開始と他国による月への取り組みの拡大により、人類の月への帰還は間近に迫っているように見えます。 しかし、月に永久に滞在するには、まだ開発中の新しいアプローチと技術​​が必要です。 研究の1つの分野は、月面基地の建設の詳細に焦点を当てており、新しい論文では、経済的に実現可能な宇宙船の着陸パッドをどのように構築できるかについて詳細に検討しています。

最近ニュー・スペース誌に掲載された、NASAが資金提供した研究「建設方法の貿易研究による月面着陸パッドのコスト」は、打ち上げや打ち上げ中に月の塵が高速で渦を巻く状況での建設の課題を分析した。ロケットの噴煙を減速させる空気がないため、着陸が困難になります。 月面での建設のもう 1 つの困難は、法外な輸送費を考慮すると、資材や必要な設備を月に調達することです。

防衛・宇宙製造会社シスルーンがフロリダ大学（UCF）とアリゾナ州立大学の研究者らと共同で実施したこの研究は、月面着陸パッドを構築する最も簡単で経済的な方法は焼結を利用することである可能性があると結論付けた。マイクロ波を使用して土壌を溶かすと同時に、選別技術も活用する方法です。

このアプローチに到達するために、研究者らは 4 つの構築方法を研究し、内側と外側の着陸パッド リングのさまざまな組み合わせを徹底的に検討しました。 月への輸送コストが 1 キログラムあたり 10 万ドル (または 1 ポンドあたり約 45,000 ドル) を超える場合、焼結が最も安価な方法であることが判明しました。 研究によれば、UCFが開発した選鉱技術も採用されれば、磁場を利用して電子レンジで加熱可能な鉱物を表面に引き出すことができるため、節約効果はさらに高まるだろうという。 選鉱は、UCF の科学者が、最も電子レンジで加熱可能な鉱物の多くが最も磁性を持っていることを発見したという事実を利用して機能します。 研究論文の共著者であり、UCFフロリダ宇宙研究所の惑星科学者であるフィリップ・メッツガー博士は、「磁化率」に基づいて粒子を分類するとマイクロ波の吸収が70パーセントから80パーセント改善される可能性があるとプレスリリースで述べた。

建設プロセスでは、探査車が月の土をすくい上げ、磁場を使って分別し、その後土を表面に戻してマイクロ波で溶かすことが必要となる。

Interesting Engineering (IE) は、研究の詳細についてメッツガー博士に連絡を取りました。 次の会話は、明確さと流れのために軽く編集されています。

メッツガー教授: マイクロ波焼結の場合、まずブルドージングや表面のグレーディングなど、現場の準備を行う能力が必要です。 次に、電子レンジ処理に十分な電力を供給できるように、発電設備が必要です。 月に届けられる太陽光発電システムまたは原子力システムから電力を得ることができます。 第三に、高効率の焼結を行うには、まず月面の土壌を選鉱し、磁場を使用して砂粒を磁性の強さに応じて選別する必要があります。

電子レンジで加熱する前の土壌の磁気選別は、セントラルフロリダ大学で発明された特許取得済みの発明です。 エネルギー必要量を 70 ～ 80% 削減でき、これは非常に大きな効果です。 そのプロセスを実行する装置は、おそらく厚さ 20 cm の土の層をすくい上げ、それを大きな磁石の上にかける必要があるため、土粒子は磁化率に応じて異なるビンに分類されます。 その後、粒子は逆流して月の表面に層状に重なり、磁性の低い粒子が最初に下に降り、磁性の高い粒子がその上に乗ります。 これにより、マイクロ波エネルギーの大部分が、焼結しようとしている最上層に確実に吸収されます。

第 4 に、土壌をさらに圧縮するために装置を土壌の上で転がす必要があると思われますが、この手順が必要かどうかを確認するにはさらなる研究が必要です。 5 番目に、キッチンにあるものとよく似た単純な電子レンジ装置を使用して、土壌がわずかに溶けるまで電子レンジを土壌に当てます。 それがそれです！

着陸パッドのサイズは、着陸予定の宇宙船のサイズによって異なります。 より重い宇宙船は、月の重力に対抗するために降下中により多くの推力を必要とし、推力の量によって、ロケットの排気ガスがパッドを横切って、パッドの端を越えて、パッドを囲む未処理の月の土壌の上に吹き出す間の密度が決まります。 パッドの幅が十分でない場合でも、ガスがパッドの端の周りの土を持ち上げ、周囲のハードウェアに高速で吹き付けることができます。 吹き飛ばされる土や粉塵は弾丸よりもはるかに速く伝わり、周囲のハードウェアに損傷を与える可能性があるため、私たちはこれを防ごうとしているのです。 したがって、パッドの端を通過して流れるすべてのガスが月の真空中に広がり、土壌粒子を持ち上げて取り込むことができなくなるように、パッドの幅を十分に広くする必要があります。 重量 40 トンの月着陸船には、中心から端まで約 27 メートルのパッドが必要になると推定されています。

私たちはまだこの技術を開発中であるため、NASA やその他の政府機関に助成金を申請しており、このプロジェクトのパートナーである Cislune Company は技術を進歩させるための資金を求めています。 最終的には、ここ地球上の砂漠に実物大の着陸パッドを建設し、完全な運用を実証し、最終実証として小型ロケットをそこに着陸させる必要があります。 また、より小型のペイロードを月面に送り、月環境で本物の月の土壌を使用して選鉱とマイクロ波プロセスをテストする必要があります。 これらのテストは、月に行くための本格的なバージョンを構築できるように十分なはずです。

この研究では、月面着陸パッドの建設コストを見積もり、ある建設方法が他の建設方法よりも経済的に優れているかどうかを検討します。 提案されている方法の中には、地球から大量の物質を輸送する必要があるもの、月面での高いエネルギー消費を必要とするもの、建設時間が長いものがあります。 これらの各要因は、月の活動に直接的および間接的なコストをもたらします。 最も重要な経済変数は、月面への輸送コストと、建設方法によって課せられる計画遅延コストの大きさであることが判明しました。 着陸パッドのコストは、建設機械の質量と速度の最適化に敏感に依存するため、指定された経済シナリオの範囲内で各工法に最小コストの設備セットが存在します。 番組遅延コストが高い場合と低い場合の両方の輸送コストの範囲にわたって、いくつかのシナリオが分析されました。 他の方法は不確実性の範囲内であるが、月面着陸パッドの内側の高温ゾーンを構築するには、現在マイクロ波焼結が最も好ましい方法であることがわかっている。 着陸パッドの外側の低温ゾーンを構築する最も有利な方法も、輸送コストが高い場合には焼結法ですが、月面までの輸送コストが約 11 万ドル/kg を下回ると、ポリマー注入法に切り替わります。 アルテミス・ベースキャンプは、月面までの輸送コストが現在の1kg当たり100万ドルから30万ドル/kgまで適度に削減されると仮定すると、予算項目費2億2,900万ドルで着陸パッドを建設できると推定されている。 輸送コストがさらに 10 万ドル/kg に低下すると、着陸パッドは 1 億 3,000 万ドルに下がり、輸送コストが 1 万ドル/kg を下回ると 4,700 万ドルに下がります。 最終的には、規模の経済のおかげで、月の周りに着陸パッドを非常に低コストで建設することができます。