今後15年以内に、NASA、中国、そしてSpaceX社は、火星に初の有人探査ミッションを送り込む計画だ。これら3つのミッションはいずれも、何度も帰還し、おそらくは恒久的な人類居住を可能にする地表居住地の建設に結実する予定だ。だがこれには多くの課題があり、中でも最も大きな課題のひとつは、呼吸可能な空気と推進剤を大量に必要とすることだ。どちらも、電磁場を水（H2O）に印加して酸素ガス（O2）と液体水素（LH2）を生成する電気分解によって製造することができる。
火星の表面には水の氷が豊富にあるため、この方法は実現可能ではあるが、既存の技術的解決策では宇宙探査に必要な信頼性と効率レベルには達していない。幸いなことに、ジョージア工科大学の研究チームは、複数の機能を可動部のないシステムに統合した「火星移動における水素・酸素生成のための磁気流体駆動装置」を提案している。このシステムは、宇宙船の推進力に革命をもたらす可能性があり、NASAの革新的先進コンセプト（NIAC）プログラムによって、フェーズI開発用に選ばれた。
この提案は、ジョージア工科大学のAlvaro Romero-Calvo助教授とジョージア工科大学研究公社（GTRC）の同僚たちによるものである。このシステムは電磁流体力学（MHD）電解セルを採用しており、電磁場を利用して、可動部品なしで導電性流体（この場合は水）を加速させる。これにより、システムは微小重力下で酸素と水素ガスを抽出・分離することができ、強制的な水の再循環や関連機器（ポンプや遠心分離機など）の必要性がなくなる。
低重力科学、流体力学、磁気流体力学の専門家であるRomero-Calvo氏と彼のチームは、宇宙飛行へのMHDシステムの応用について長年研究してきた。このコンセプトの実現可能性と、適切な酸素生産アーキテクチャへの統合を評価するための専用研究の必要性が、最終的に彼らの提案の動機となった。以前の研究で、Romero-Calvo氏と共著者のKatharina Brinkert博士（ワーウィック大学化学教授）は、その場で水を採取することで、宇宙船打ち上げ時の質量を減らすことができると指摘した。
しかし、微小重力下でのこの種の機械の操作には多くの未知数があり、そのほとんどは現在の研究では対処されていないことも指摘した。特に、微小重力では浮力がないため、酸素と水素の泡を分離して回収する必要があるなど、技術的に大きな課題があることを強調した。しかし、これでは複数のエレメントと可動部品で構成された液体管理装置が必要となり、宇宙空間では複雑で非効率的で信頼性に欠けると彼らは主張した。最近のジョージア工科大学のニュースリリースでRomero-Calvo氏が説明している：
1990年のスリラー映画『レッド・オクトーバーを追え』では、MHD駆動のステルス・ソビエト潜水艦が米国に亡命する。Sean Conneryがソ連の潜水艦司令官を演じるのは面白いが、実際のところ、潜水艦のMHD推進は非常に効率が悪い。それとは逆に、我々のコンセプトは微小重力環境で機能し、弱いMHD力が支配的になり、ミッションを可能にする能力につながる。
提案されているMHDシステムは、従来の再循環ループの代わりに、水から酸素と水素を分離する2つの異なるメカニズムに依存している。1つ目は反磁性力によるもので、これは強い磁場が存在する場合に発生し、磁気浮力効果をもたらす。2つ目はローレンツ力であり、これは2つの電極間に発生する電流に磁場が加わる結果生じる。Romero-Calvo氏は論文で以下のように述べている：
両アプローチは、最小限の可動部品、あるいは可動部品を持たない新世代の電解セルにつながる可能性がある。予備的な見積もりでは、機能性の統合により、信頼性レベル99％の酸素生成アセンブリ・アーキテクチャに対して、質量予算が最大50％削減されることを示している。これらの値は、1日あたり3.36kgの酸素を消費する標準的な4人乗りの火星移住に適用される。
このHMDシステムが成功すれば、長期の宇宙旅行で水と酸素ガスのリサイクルが可能になる。ジョージア工科大学Daniel Guggenheim School of Aerospace EngineeringのRomero-Calvo氏と他の同僚たちは、この技術が、水ベースの小型衛星推進や、ISRUが必須である他のミッション・プロファイルにも応用できることを別の論文で実証した。現在、Romero-Calvo氏と彼の同僚たちは、このコンセプトを定式化し、解析モデルと数値モデルを開発している。
次のステップでは、チームとGiner Labs（マサチューセッツ州を拠点とする電気化学研究開発企業）のパートナーが実現可能性調査を実施する。今後9ヵ月間、彼らはシステムの全体的な実行可能性と技術的な準備レベルを調査するために17万5,000ドルを受け取る予定である。これらは主に計算機による研究であるが、地球上で主要技術をテストするプロトタイプも含まれる。フェーズIの提案として、彼らは2年間の研究で60万ドル相当のフェーズII資金を競う資格もある。
この技術の初期の実証機は、2023年12月19日に打ち上げられた無人のミッション、ニュー・シェパード（NS-24）の24回目のフライトでテストされた。ブルーオリジンとアメリカ重力宇宙学会（ASGSR）の支援により、ロメロ＝カルボのチームは微小重力条件下で磁石がどのように水を電気分解するかをテストした。このフライトと今後のテストから得られたデータは、HMD電解槽のプロトタイプに反映され、将来の宇宙ミッションに搭載されるシステムにつながる可能性がある。とRomero-Calvo氏は語った：
私たちは、宇宙飛行条件下で水の電解槽に磁場を印加したときに発生する、基本的な磁気流体力学的な流れのレジームを研究していました。BlueOriginの実験と、ウォーリック大学のKatharina Brinkert教授のグループとの現在の共同研究は、微小重力下での酸素気泡の動きを予測するのに役立ち、将来の人間用の水電解槽の作り方を示唆しています。
Sources
- NASA: Magnetohydrodynamic Drive for Hydrogen and Oxygen Production in Mars Transfer
- Georgia Tech: NASA Selects Professor Álvaro Romero-Calvo to Study New Magnetohydrodynamic Technology
この記事は、MATT WILLIAMS氏によって執筆され、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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