宇宙資源の利用に向けて: 知識のギャップ、未解決の質問、優先順位

npj 微小重力 9 巻、記事番号: 22 (2023) この記事を引用

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宇宙資源利用に関しては、この分野の新規性と比較的未熟なことから、未解決の科学的疑問が数多くあります。宇宙で使用可能な資源を生産するために多くの潜在的な技術が提案されていますが、信頼性の高い大規模な設計は、現地の環境条件、地質学、鉱物学、レゴリスの特性に関する知識のギャップ、および宇宙に固有の特定の科学的問題によって制限されています。それぞれのプロセス。さらに、エンジニアリング上の制約 (エネルギー、スループット、効率など) を設計に組み込む必要があります。この研究は、宇宙資源利用の分野における最近の活動を簡単に要約すること、また重要な知識のギャップを特定し、未解決の科学的疑問を提示することを目的としています。最後に、宇宙資源の利用を可能にする将来の探査の優先事項が強調されています。

宇宙資源の利用は、長期にわたる深宇宙探査の将来にとって極めて重要です。宇宙探査には持続可能性に対する課題が伴います。使い捨ての発射装置、燃料補給できない衛星、すべてのハードウェアと消耗品を地球から供給する必要性など、すべてが宇宙計画にかなりの資源の使用とコストを追加します。幸いなことに、大きな進歩が見られます。SpaceX は Blue Origin で、再利用可能な打ち上げシステムの価値を実証しています1。軌道上燃料補給は、Airbus や Busek2 などの確立された企業だけでなく、Orbit Fab や Orbital Express などの新興企業によって開発されています。

推進剤、住居、人間の生活を支えるのに不可欠な物質（水、酸素など）を提供する宇宙資源の利用は、宇宙探査の可能性を最大限に解き放ち、人類がより遠くまで旅をし、宇宙でより長く過ごすことを可能にします3,4,5。これは宇宙探査の経済学を変革するでしょう。

宇宙資源の利用は、現場資源利用 (ISRU)、あるいはより一般的には宇宙資源利用 (SRU) として知られており、新しい概念ではありません。 SRU の詳細な歴史は、Meurisse と Carpenter6 によって提供されています。簡単に言うと、宇宙資源の利用は、ロケット工学への現代的アプローチの創始者として広く考えられているコンスタンチン・ツィオルコフスキーによって 1903 年に初めて提案されました 7,8。月面 SRU は、1950 年代に Clarke9 によって提案されました。 1960 年代のアポロ時代、SRU は打ち上げ質量と地上への依存を減らすための実用的な手段として Carr10 によって提案されました。その後の 50 年間で、このコンセプトは成熟してきました。候補技術を設計およびテストするために、多くの陸上研究が行われてきた（参考文献 11、12、13、14、15、16、17 など）。

これらの技術は ESA と NASA の宇宙探査ロードマップで重要な役割を果たしているにもかかわらず、2022 年の時点で SRU は宇宙で一度しか実証されていません 12,18。 NASA のパーサヴィアランスローバーに搭載された MOXIE (Mars OXygen ISRU Experiment) ペイロードは、2021 年に固体酸化物電気分解によって火星の CO2 豊富な大気から酸素を生成しました19。月面SRUデモンストレーションミッションは開発中であり（例、参考文献20、21）、新しいSRUの法的および経済的枠組みをテストするための予備ミッションが2023年を通じて予定されており、例えばispace inc.のHAKUTO-Rミッション1は現在飛行中である。月22、23。

今日、宇宙資源へのアクセスと利用は、多くの宇宙機関18、24、25、26、27、政府28、29、30、31、政府間組織32、33、および民間産業34、35、36の焦点となっている。最近では、次のような多くのアプリケーションで SRU に対する関心が新たに高まっています。

月と火星での酸素と金属の生産（例、参考文献 19、37、38、39、40、41、42、43、44、45、46）。

月の極から水を抽出する（例、参考文献47、48、49、50、51）。

地球近傍の物体から水、揮発性物質、金属を抽出する（例、参考文献52、53、54、55、56、57、58）。

積層造形によるものを含む、生息地および断熱シェルターの建設（例、参考文献 59、60、61、62、63、64、65、66、67、68、69、70）。そして、

地元資源からの機器および技術の製造 (例: 参考文献 71、72、73、74、75、76)。

実証規模の SRU プロジェクトは、業界にとって実行可能かつ必要な第一歩です。彼らの成功は、SRU と月科学コミュニティの知識ベースを大幅に拡大するでしょう。地元の地質、鉱物学、レゴリスの特徴に関する詳細な知識は、産業規模での採掘、抽出、生産システムの設計における信頼性を大幅に高めます。産業規模のシステムの設計を最適化するには、それぞれの特定のプロセスに固有の他の科学的問題に対処する必要があります。環境動作条件 (例: 局所的な静電気および放射線環境) と工学的制約 (例: エネルギー使用量、必要なスループット、期待される効率など) の両方が、機器の設計に大きく影響します 77)。したがって、大規模な資源利用プロセスの成功は、特定の資源と対象領域に関する十分な知識、および有用な製品を抽出するために必要な技術能力に依存します。

この研究は、欧州宇宙機関の SciSpacE 宇宙資源白書演習に従って開発されました。ここでは、月科学と SRU コミュニティの知識のギャップ、科学に関する未解決の質問、研究の優先順位が特定されます。 SRU の機能と限界が現場でのデモンストレーションを通じて明確になるにつれて、これらのギャップや疑問の多くに対処することが可能になり、そうすることで大規模 SRU 技術の開発が大幅に改善されるでしょう。さらに、これらの質問に答えることは、科学界に多大な価値をもたらすでしょう。

宇宙資源の採取と使用は、地上資源の採取と使用に似ています78,79。まず、確実性を高めるために、特定の資源（酸素、水の氷など）を探査と真実の探査を通じて特定する必要があります80,81。周囲の材料の組成と、そのホスト材料内の特定のリソースの特性を理解する必要があります。特定の地域におけるリソースの分布の変動性も必要です。たとえば、レゴリス内に存在する水氷、または月極のレゴリスの下に埋もれている水氷は、空間的にも深さによっても変化します50,82。適切に修正された地上業界の標準と、探査と報告に関するベストプラクティス（JORC や LORS81 など）、および共通の用語 78 を採用することで、SRU への宇宙関係者以外の参加を促進し、投資を呼び込むことができるでしょう。

地球上で特定の鉱体を処理するために相互にリンクされた一連の技術は、フローシートによって説明されています78。フローシートは、掘削、選鉱、最終製品の抽出という 3 つの主要な段階に大別できます78。発掘については、抽出方法と同様に文献 83 で徹底的に調査されています 84。選鉱とは、採掘された材料を砕いたり凝集させたりして、さらなる処理に適した範囲にサイズごとに分類したり、不要な成分を物理的に除去して目的の 1 成分 (水やイルメナイトなど) を濃縮したりするプロセスです。採掘された宇宙物質を選鉱して、必要な最終製品の抽出に適した形にすることは、これに比べてはるかに少ない研究しか行われていない85。

陸上採掘では、資源、周囲の物質、場所、および資源の抽出に使用される技術が、次のいずれかのようにプロセスフローシートで照合されます。

特定のリソースとその場所は、利用可能なテクノロジーに応じてターゲットとなります。または、

このテクノロジーは、特定のターゲットリソースの抽出要件を満たすように設計されています。

SRU テクノロジーを証明し、TRL を引き上げるデモンストレーションミッションは、フローシートへの潜在的な入力を特徴付ける上で計り知れない価値があります。ただし、月、火星、または宇宙の他の場所にある資源ホスト物質の特性も、フローシート設計への重要な入力値です。必要な処理技術は、リソースの生産レベルと全体的な運用効率の信頼性を最大化するように選択する必要があります。掘削、選鉱、採掘に対する「フリーサイズ」のアプローチが SRU に適していると仮定するのは不適切です。陸上採掘では、対象資源の特性に基づいて使用する採掘機器を慎重に選択します。 SRU も同様のアプローチを採用することで間違いなく恩恵を受けるでしょう。

宇宙資源の利用には、自然に変化する原料から使用可能な製品を確実に供給するエンジニアリングソリューションが必要です77。 SRU のための鉱物資源の使用は、宇宙のどこでもテストされていないままですが、デモンストレーションミッション (例: プロスペクト)、月極の探査、NASA の今後のレゴリス収集ミッションにより、これは今後数年で変わるでしょう 20,22。 SRU が将来の宇宙旅行の実現可能な選択肢となるためには、初期の実証ミッションでできるだけ多くの未解決の科学的疑問に対処することが重要です。これにより、最終的には産業規模での SRU の実装が可能になります。

SRU には、利用可能なデータやサンプルの欠如、地表での宇宙技術の実証の制限などにより、十分に定量化されていない側面が数多く残っています。将来的に SRU を有効にするために必要なデータは、環境データと資源データの 2 つのグループに分類できます。このようなデータにはさらに本質的な科学的価値があるでしょう。

環境データは、高い稼働率と長期使用を念頭に置いた堅牢な機器の開発にとって重要です。地域の環境条件に関する深い知識は、最も堅牢で信頼性の高いテクノロジーのみを導入するために行われる設計の選択に直接影響します。動作環境は、次のようなプロセスの設計と運用に大きな影響を与えます。

異なる条件下（昼と夜など）でのレゴリスの静電気特性の変化。

低重力、異なる大気特性、またはまったく大気がない場合の運用を設計する。

極度の高温と低温、およびそれらを繰り返すプロセスに耐えられるように設計。

粉塵の多い環境でのマテリアルハンドリング。

局所的な放射線環境。そして、

信頼性と耐久性を重視した設計。

SRU 運用に適切なテクノロジーを選択するには、リソースデータが不可欠です。これらのデータは以下を指定する必要があります。

リソースの場所。

リソースのプロパティ (濃度、フェーズ、関連性など)。

ホスト材料の特性 (例: レゴリスの鉱物学、粒子サイズ分布、粒子の形状、地質工学的特性)。

資源とホスト材料の特性の変動性（地域、場所、環境条件による）。そして、

資源の特性が利用率に及ぼす影響（原子炉の効率、建設強度など）。

これらのギャップを埋めるには、高解像度の軌道データセットを取得し、選択されたターゲットでのグラウンドトゥルース探査活動と相関付ける必要があります。実例として、資源の大規模開発のためにこれまでに開発された提案のうち、いくつかは推進剤製造のために月極での水氷の抽出に焦点を当てている(例えば、参考文献17、47、48)。月の生産施設に関するこれらの詳細な詳細は、氷のレゴリスの形状、量、変動性、および挙動に関する仮定に基づいています。現時点では、これらの仮定を検証するための真実のデータはなく、それに関連する大きな不確実性が存在します86。地質学的確実性のレベルを高めるためには、厳密な探査と真実の探査を実行する必要があります80,81。これは鉱山の経済開発における地球上の標準的な慣行であり、SRU80、81 にも同様に当てはまります。

1960 年代と 1970 年代のアポロ計画と月計画によって帰還されたレゴリスのサンプルは、ベンチスケールの装置をテストするには信じられないほどの価値がありますが、テストに利用できる月の物質の量は産業規模の装置を開発するには不十分です。さらに、地上 SRU 実証機の開発が成功するかどうかは、適切なシミュレートが入手できるかどうかにかかっています。しかし、科学界は、民間および公共部門の関係者とともに、月レゴリスおよび月レゴリス模擬物の特性評価のための標準化されたアプローチについて合意する必要があります。このような基準は、原料と装置の性能の正直で透明性のある同等の比較を可能にし、特定の技術のデモンストレーションに特定の模擬物質を使用する正当性を提供します。

宇宙資源の利用には、その新規性と比較的未熟さのため、未解決の科学的疑問が数多くあります。以下の未解決の質問は、経済的に実行可能な産業規模への高級 SRU に必要な応用科学の側面に特に焦点を当てています。この分野の利点の 1 つは、慎重に設計すれば、SRU プロセスの設計に必要なデータとサンプルを、月科学コミュニティが関心を寄せる未解決の質問に答えるためにも使用できることです。

リソースの実行可能性を確立するには、どのリソース特性が必要ですか? これには、ホスト材料の特性に加えて、濃度や発生などの特定のリソースの特性も含まれます。サイズ分布、質感、凝集性、静電荷、鉱物学などのレゴリスの特性は興味深いものとなるでしょう85,86。鉱床の地質学的確実性を高めるための最小限のデータとその収集方法も考慮する必要があります77、78、80、81。基礎科学研究 (地質学、惑星進化など) におけるこのようなデータセットの使用は、地球外鉱山計画の重要な要素となるはずです。

地質学的および環境的プロセスは資源の特性にどのような影響を与えましたか?また、これらの特性は抽出プロセスにどのように影響しますか? 環境要因には、地質学的プロセス（火山活動、地殻形成など）、衝突（資源の供給と衝突再処理中の資源の損失）、太陽風や宇宙線の曝露、磁気異常などが含まれます。特定の宇宙資源の領域で発生する地質学的および環境プロセスを理解することで解決できる基礎的な科学の疑問が数多くあります。たとえば、局所的なレゴリス環境を作り出すための衝突率などです。しかし、宇宙資源用途の場合、これらのプロセスは資源とホスト材料の組成と特性（埋設深さ、空隙率、凝集物含有量など）に影響を与えます87、88、89。たとえば、地質工学的特性は、月のレゴリスの地質構成（鉱物学、化学）、衝突および宇宙曝露履歴の影響を受けます90。

地域の環境条件は資源や潜在的な事業にどのような影響を与えるのでしょうか? たとえば、レゴリスの静電気の帯電、重力、熱条件、大気条件、放射線などです。月レゴリスの静電気の帯電は、特に信頼性に関して運用上の課題を引き起こすことが知られています91、92、93、94。地球上の月環境のすべての側面を同時に再現することは不可能であり、レゴリス模擬物質の分野では急速な開発が行われている95、96、97が、凝集体の生成はどのような規模であっても依然として困難である98。レゴリスの静電気の帯電の大きさと分布、そしてこれをどのように軽減できるかについては疑問が残っています。理解を高めるためには現場での研究が不可欠です。興味深いもう 1 つの側面は、環境条件 (火星の大気など) の変化率です。

対象地域における資源の変動性と、加工および抽出された製品の変動性への影響はどのようなものですか? 変動性は、長期的には重要なリソース使用の側面です。資源とホスト材料の変動は、発掘から最終製品の精製に至るプロセスのあらゆる段階に影響します77,99。さらに、以前に強調したように、地質学的プロセスを理解することで、資源の変動性をより適切に予測できるようになります。

地元の資源を抽出して加工するために適用できる物理的および化学的プロセスは何ですか? 多くのプロセスが提案されている 83、84、85 が、すべてがすべての場所に適しているわけではありません (たとえば、月の高地での水素還元 100)。最適な場所または最適なプロセスを確立するための戦略が必要です。プロセス効率に対する局所的な条件の影響も考慮する必要があります。これには原料の特性も含まれます。廃棄物の処理/再利用や製品の保管など、リソースのエンドツーエンドの処理も必要です。

大規模または産業規模の SRU プロセス操作を確実に設計し、適切に操作するには、対象となる特定のリソースと適切な抽出技術に関する詳細な知識が必要です。短期的な実証ミッションと将来の探査プログラムの優先事項は、機器の性能特性、現地の環境条件、対象資源の利用可能性に関する高解像度で忠実度の高いデータを収集することでなければなりません。陸上採掘部門は資源探査に関して膨大な専門知識を持っています。この知識ベースを月/惑星科学者の知識ベースと組み合わせることで、科学的目標を達成し、SRU を可能にする現実的な戦略の開発が可能になります。さらに、最適化や性能評価を含む広範なコアおよび補助技術開発プログラムが必要です。これにより、堅牢な SRU テクノロジーの設計と開発が向上し、科学界に貴重な知識が貢献します。

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著者らは、SciSpacE ホワイトペーパーの演習に貢献する機会を与えてくださった欧州宇宙機関 (ESA) と、npj 微小重力特集号へのこの投稿を支援していただいたことに感謝したいと思います。また、ESA 契約 4000123986/18/NL/PG によって資金提供された「月面物質の完全な資源生産フローシート」に関する ESA トピックスチームにも感謝します。

Jan Cilliers、Kathryn Hadler、Joshua Rasera などの著者も同様に貢献しました。

地球科学工学部、インペリアルカレッジロンドン、エキシビションロード、ロンドン、SW7 2AZ、英国

ヤン・シリアーズ、キャスリン・ハドラー、ジョシュア・ラセラ

欧州宇宙資源イノベーションセンター (ESRIC)、ルクセンブルク科学技術大学 (LIST)、Maison de l'Innovation、5、avenue des Hauts-Fourneuax、Esch-sur-Alzette、L-4362、ルクセンブルク

キャスリン・ハドラー

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JJC と KH は、プロセスの背景、ギャップ分析、未解決の質問の特定、論文の改訂、および一般的な編集を担当しました。国鉄は、序文の作成、文献レビュー、文献とギャップ/オープンクエスチョンの統合、論文構成の改訂、および一般的な編集を担当しました。

ヤン・シリアスへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Ciliers, J.、Hadler, K. & Rasera, J. 宇宙における資源の利用に向けて: 知識のギャップ、未解決の質問、優先順位。 npj 微小重力 9、22 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41526-023-00274-3

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受信日: 2022 年 8 月 3 日

受理日: 2023 年 3 月 13 日

公開日: 2023 年 3 月 25 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41526-023-00274-3

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