NASAの火星探査車、火星大気の二酸化炭素から酸素を取り出す実験に成功

米国航空宇宙局(NASA)は2021年4月22日、火星を探査している探査車「パーサヴィアランス」に搭載している機器を使い、火星の大気に含まれている二酸化炭素から酸素を取り出す実験に成功したと発表した。

実際に火星で実験が行われたのは初めて。また、他の惑星の物質を資源として取り出したのも初の例となった。

NASAでは将来的に、人が生きるのに必要な酸素を作り出したり、ロケットの推進剤に使ったりといったことに応用したいとしている。

• NASAの火星探査車パーサヴィアランスの想像図 (C) NASA/JPL-Caltech

MOXIEとは？

将来、有人火星探査を行う際に大きな課題となるのが「酸素」の調達である。

もし、4人の宇宙飛行士を火星に送り込み、そして地球に帰還させると仮定した場合、1人あたり必要な呼吸用の酸素は1年間に約1tになる。さらに、帰還用ロケットの推進剤には、約25tもの酸化剤(酸素)が必要になると考えられている。

しかし、火星の大気は地球とは大きく異なり、二酸化炭素が96％を占めており、酸素はわずか0.13％しかない。かといって、数十tもの酸素を地球から火星に運ぶのは莫大なエネルギーが必要であり、ロケットの能力やコストといった点から非現実的である。

そこでNASAの科学者たちは、火星に豊富にある二酸化炭素から酸素を取り出し、宇宙飛行士の呼吸やロケットに必要な酸素を“現地調達”することを考えている。

それにはいくつかの方法があるが、NASAでは現在、「固体酸化物電解」というプロセスを使う研究が進んでいる。これは、火星の大気ガスを収集、圧縮、加熱し、二酸化炭素の分子を1つの酸素原子と一酸化炭素に分解。酸素原子は結合させて、酸素分子(O₂)として利用するというものである。一酸化炭素はそのまま火星の大気中に排出する。

そしてNASAは、本当にこの方法で、火星で酸素を生成することができるのか、実際に実証実験を行うための機器「MOXIE(モキシー)」を開発。パーサヴィアランスに搭載され、火星へと送られた。

MOXIEはトースターほどの大きさをもち、質量約17.1kgの装置で、名前の「MOXIE」とは「Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment(火星の酸素を現地で資源として利用するための実験)」の頭文字から取られている。

• パーサヴィアランスに搭載された、火星の二酸化炭素から酸素を作り出す機器MOXIE (C) NASA/JPL-Caltech

最初の生成実験は4月20日に行われ、1時間の稼働により、約5.4gの酸素を生成することに成功した。これは宇宙飛行士が約10分間呼吸できる酸素量に相当する。

MOXIEは設計上、1時間に最大10gの酸素を生成できるようになっている。また、ただ単に酸素を生成するだけでなく、大きく3つの段階に分けて実証が行われる。まず第1段階では、装置の機能をチェックして特性を調べ、第2段階では、時間帯や季節などの大気条件を変えて装置を稼働させる。そして第3段階では、新しい動作モードを試したり、3つ以上の異なる温度での動作を比較したりなど、さまざまな試みを行うことになっている。

今後、火星の1年(地球の約2年)の間に、少なくとも9回の実験を行い、実証を積み重ねていくとしている。

さらに、地球からの打ち上げ、約7か月間の宇宙航行、そしてパーサヴィアランスの着陸にも耐えられるかどうかも、技術実証の目標のひとつであった。

ちなみに、変換プロセス中には、約800℃もの高温になるため、耐熱性のある素材が使用されている。また、装置の中を流れるガスを加圧、冷却するためのニッケル合金の部品は3Dプリンターで造られている。また、その熱が外部に漏れてパーサヴィアランスを損傷させることを防ぐために、MOXIEの外側には金のコーティングが施され、赤外線を反射するようになっているなど、多くの工夫が施されている。

将来の有人火星探査への活用に期待

NASAによると、火星で25tの酸素を作り出す装置は、およそMOXIEの100倍、1tほどになるという。1tというと、ちょうどパーサヴィアランスそのものの質量に近く、数十tの酸素を持ち込むよりは経済的で実用的、そして現実的なものとなる。

NASA宇宙技術ミッション部局(STMD)の副部門長を務めるジム・ロイター(Jim Reuter)氏は「これは火星で二酸化炭素を酸素に変換するための重要な第一歩です。まだやるべきことがありますが、今回の技術実証の結果は、いつか人類が火星に降り立つという目標に向けて、期待が持てるものです」と語る。

また、STMDの技術実証担当ディレクターを務めるトゥルーディ・コーテス(Trudy Kortes)氏は「MOXIEは、単に他の天体で酸素を生産する最初の装置というだけにとどまりません。将来のミッションにおいて、その天体にある要素を資源として利用し、“大地に根ざした生活”をするための初めての技術なのです」と、その意義を強調する。

「将来的には、今回のように二酸化炭素から取り出した酸素を宇宙飛行士の呼吸やロケットの推進剤に使ったり、あるいは水素と組み合わせて水を生成したりもできるでしょう。さらには地上にあるレゴリス(石や砂)を使って、大きな構造物を造るようなこともできるようになるでしょう」(コーテス氏)。

火星における酸素の生成では、MOXIEのような方法以外にも、火星にあると考えられている水を電気分解する方法も考えられている。また、MOXIEのような方法で副産物として生み出される一酸化炭素を燃料として利用することや、一酸化炭素と水素からメタンを合成することなども考えられている。

• 将来の有人火星探査の想像図。MOXIEのような技術が使われることになるかもしれない (C) NASA

参考文献

・NASA’s Perseverance Mars Rover Extracts First Oxygen from Red Planet | NASA
・Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment (MOXIE) - NASA Mars