アルテミスの宇宙飛行士は、月の塵から作られた太陽電池を使う事が出来る

月面基地構想のイメージ図(画像:ESA - P. Carril)

今後10年以内に、いくつかの宇宙機関や商業宇宙パートナーが、有人月探査を実施する予定だ。アポロ時代の「足跡と旗」のミッションとは異なり、これらのミッションは、「持続的な月探査プログラム」の構築を目的としている。言い換えれば、私たちは月へ戻って滞在するつもりであり、そのためにはインフラを整備する必要があるということだ。宇宙船、着陸船、居住施設、着陸・発射台、輸送、食料、水、電力システムなどが含まれる。宇宙機関は、これらのニーズを満たすために、地域の資源を活用する方法を探している。

このプロセスはISRUIn-Situ Resource Utilization:現地での資源利用)と呼ばれ、地球から打ち上げなければならないペイロードの数を制限することでコストを削減することができる。エストニアのタリン工科大学(TalTech)の研究チームは、宇宙飛行士が現地で採取したレゴリス(月の塵)を使って、パイライト(黄鉄鉱)と呼ばれる有望な材料を作り、太陽電池を製造できるかもしれないという新しい研究結果を発表した。この発見は、ESAのムーンビレッジ、NASAのアルテミス計画、中露の国際月研究ステーション(ILRS)など、近い将来のミッションにとって画期的なものになるかもしれない。

研究チームは、TalTechの博士研究員であり、エストニア学生衛星基金(ESTCube)の通信主任であるKätriin Kristmann氏がリーダーを務めた。彼女は、TalTechの材料・環境技術・物理学部門の複数の研究者と、ESAの欧州宇宙研究技術センター(ESTEC)の先端製造エンジニアであるAdvenit Makaya氏と一緒に参加した。彼らが研究で示したように、月には黄鉄鉱を使った単結晶層(MGL)太陽電池を作るのに適した要素がある。

Kristmann氏がUniverse Todayにメールで語ったところによると、彼女らの研究は、将来の月探査における大きなニーズ、すなわち地球に依存しない方法で電力を生成する能力に対処するものである。つまり、再生可能な資源に焦点を当て、バックアップとしてのみバッテリーや燃料電池に頼るということだ。

Kristmann氏によると、「月への定住を目指すのであれば、月で電力を生み出すことが不可欠です。地球で利用可能なエネルギー源のほとんどが月では利用できないため、太陽エネルギーの利用は最も有望な候補の1つです。主な課題は、エネルギーステーションを建設するために、月のレゴリスからその場で得られる資源を利用し、地球からできるだけ材料を持ち込まないようにすることです。」とのことだ。

Kristmann氏とTalTechの同僚たちは、黄鉄鉱が太陽電池の基板(太陽電池の上に置いて吸収力を高める層)としての可能性を持っていることから、何年も前から黄鉄鉱の研究をしている。「単結晶層(MGL)」とは、微結晶の粉末から作られるこの材料の構造のことで、軽量で柔軟なセルを実現する。黄鉄鉱は、1つの鉄原子に2つの硫黄原子が結合した原子構造(FeS2)を持ち、いずれも月面に豊富に存在する。

TalTechの太陽光発電材料ラボの責任者で、この研究の共著者であるMarit Kauk-Kuusik氏は、2022年1月にTalTechが発表した記事で、この材料の利点を説明している。

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TalTech研究員のKätriin Kristmann氏(出典:タリン工科大学(TalTech))

TalTechの科学者たちは、すでに数十年前から地上波アプリケーションのためのMGL太陽電池技術に取り組んできました。核となる技術革新は、豊富で低コストの元素を含む単結晶粉末で作られた独自の光吸収層です。この技術に基づく太陽電池は、ビル一体型太陽光発電の分野にイノベーションをもたらすでしょう。

PRODUCTION OF ELECTRICITY ON THE MOON IS IN THE HANDS OF ESTONIANS – TalTech

この研究のために、Kristmann氏らは、黄鉄鉱吸収層とグラファイト酸化ニッケル(NiO)および透明導電性酸化物(TCO)の層が対になった太陽電池構造を設計した。これらに、黄鉄鉱と白金でできたショットキーダイオードを組み合わせるのである。Kritmann氏が説明するように、この材料の採用は多くの利点をもたらす。

「黄鉄鉱は、従来のシリコン太陽電池に比べてエネルギー投入量が非常に少なく、有利な材料です。黄鉄鉱は、従来のシリコン系太陽電池よりもはるかに低い温度で太陽電池を作ることができるからです。温度が低ければ低いほど、エネルギー消費量も少なくなり、コストも下がります。また、鉄と硫黄からなる黄鉄鉱は、人体に有害な元素を一切含んでいません。」

パイライトを作るために、研究チームは、液体塩合成法に頼った。鉄と硫黄をヨウ化カリウム溶液に混ぜ、それを740℃まで1週間加熱した。その後、ゆっくりと575℃まで温度を下げた後、室温まで急冷すると、黄鉄鉱MGLの製造に適した単相の黄鉄鉱単粒子の粉末が得られた。この小さな結晶は、3Dプリンターや、宇宙機関がすでに月へ送ることを計画している技術を使って、簡単にMGLに加工することができる。

「カリウム塩は、FeS2の単結晶粒を作るための媒体として作用し、反応の最後に、洗浄によって塩を除去しました。このプロセスは、高純度真空槽や強いレーザーや磁場といった入手困難な前提条件のある複雑な装置を利用しないので、月の環境に容易に適応できます。」と、Kristmann氏は説明する。

この研究は、TalTechの光電池材料研究所のKristmann氏と他の多くの研究者による以前の研究を基にしたものだ。TalTechは、10年以上にわたり、地球上の再生可能エネルギーに応用可能なMGL太陽電池を研究してきた。製造工程がシンプルであることに加え、高効率の単結晶太陽電池を生み出し、柔軟で薄いため、成長する再生可能エネルギー市場において非常に価値のあるものとなっている。しかし、月やその先にいる宇宙飛行士に再生可能エネルギーを提供できる可能性があるからこそ、Kristmann氏のチームはより良いエネルギーソリューションを見つけようとするのである。

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月の村と呼ばれる月のクレーターの縁にまとまった居住空間がある。(出典:ESA)

欧州宇宙機関の一員として、エストニアは「ムーンビレッジ」と呼ばれる月面居住施設の建設計画に貢献している。この基地は、国際宇宙ステーションの精神的後継となるもので、世界中から集まった宇宙飛行士が交代で数カ月間滞在し、重要な研究を行う予定だ。Taavi Raadik博士(kristmann氏の博士論文指導者)によると、ESAがTalTechの太陽光発電研究に興味を持ったのは約6年前、MGL太陽電池技術を調べて有望だと判断したのがきっかけだった。

Advenit Makaya博士は、ESAとTalTechの協力関係の一環として、Kristmann氏らと一緒に仕事をしてきた。長年にわたり、ESTECを通じて、宇宙用として有望な先端材料とプロセスの開発を支援してきている彼は、Universe Todayに電子メールで以下のように説明している。

月探査を支える電力システムの要件は、地表で行われる活動の量とミッションの時間によって異なります。国際レベルでは、いくつかの宇宙機関や民間企業が、月面で長期間のミッションを行う計画を示しています。このため、長期間のミッションに必要な電力を供給するためには、実施される活動範囲に十分なエネルギーを供給し、適切な信頼性と宇宙環境に対する耐性を備えた電力システムが必要となります。

そのため、持続可能性が不可欠となるのです。宇宙ミッションの電力源は、これまで太陽光発電が主流でしたが、月探査でも太陽光発電が大きな割合を占めると予想されます。地元の材料から太陽電池を製造する能力を持つことは、ミッションの持続可能性を高め、地球からの供給と関連するコストへの依存を減らすのに役立つ可能性があります。

Dr. Advenit Makaya氏によるメール
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ISSに設置された複数の太陽電池パネルにより、望遠鏡で見ると「H」の字を描いている(出典:NASA)

当初は、この技術が宇宙での応用に適しているかどうかを検証することに重点を置いていた。月面の極寒・真空環境でも動作することが証明された後は、将来の月面基地で使用するためのMGL太陽電池の実装と、月のレゴリスを使ってどのように製造するかに取り組み始めた。今回の研究の成功は、それが可能であることを示しており、将来の月探査に劇的な影響を与えるとKristmann氏は語っている。

「持続可能なエネルギー生産能力が月探査にもたらす意味は大きいです。信頼性の高いエネルギー生産ができれば、月への移住について語るとき、科学やインフラといった他の重要なテーマに焦点を当てることができる。信頼性の高い太陽エネルギー生産は、私たち人類が過去から、そして私たち自身の惑星で直面した課題から学ぶことができたことを保証し、汚染なしに新しい世界(月またはそれ以上)を探索することを可能にします。」

また、Makaya博士が言うように、長期滞在の場合、自給自足に耐えられるというメリットもある。国際宇宙ステーション(ISS)では、食料、水、その他の基本的な必需品に加えて、交換用の部品やコンポーネントを定期的に輸送することが必要だ。例えば、太陽電池の交換や、太陽電池の運用に必要な電子機器や工具などだ。MGL太陽電池のISRUの側面は非常に魅力的だ。

「大規模な入植地を含む月面の長期探査ミッションの観点からは、月面の環境(塵、放射線、マイクロメテオロイド、大きな温度変化)による劣化の可能性があるため、太陽光発電ハードウェアの交換が特に重要になる。月面の資源を利用して太陽電池を製造することで、こうしたメンテナンスや交換のニーズを満たすことができれば、地球からのハードウェア再供給のコストを削減することができます。」

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火星の居住空間と他の地表要素を組み合わせたイメージ図(出典:NASA)

「また、将来の探査活動のための新しいハードウェアを製造することで、将来のミッションの幅を広げることにもつながります。地球からの補給が距離的に不可能な目的地(例:火星)では、メンテナンスや修理作業などのために、その場での製造が不可欠になります。」

前述の通り、この研究はすでに地球上で広範囲に応用されている。しかし、現地の資源を使って黄鉄鉱太陽電池を製造し、最も過酷な環境でも電力を供給できるような製造方法を開発することで、この技術は大きく成熟することができる。つまり、失敗の許されない宇宙での持続可能な生活を実現する方法は、必ず地球での持続可能な生活の解決につながるのだ。あまり古くない格言だが、「宇宙を解決することは、地球を解決することだ!」ということだろう。

この記事は、Universe Todayに掲載されたものを、クリエイティブ・コモンズ・ライセンス(表示4.0 国際)に則り、翻訳・転載したものです。元記事はこちらからお読み頂けます。

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この記事を書いた人

TEXAL管理人。学校の授業でMS-DOSを使っていたくらいの年代。Windows95の登場で衝撃を受け、テクノロジー業界に興味を持つ。以来ガジェット・ゲーム情報を追い続けてうん十年。大学では物理を専攻していたこともあり、物理・宇宙関係の話題も大好き。

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