月で水が必要なら、月の砂を電子レンジでチンすればいい

宇宙のどこへ行っても、水は必要だ。これまで、地球周回軌道や月への有人ミッションでは、水を持ち運んでいた。しかし、短期間のミッションであれば問題ないが、長期的な視点に立つと現実的ではない。水は重いので、月や火星に長期滞在するために必要な水を運ぶには、あまりにも多くの燃料が必要だ。だから、現地で採れる水は現地で使うしかないのだ。

幸いなことに、水は宇宙ではありふれた分子だ。月にも、ルナコロニーを維持するのに十分な量の水がある。唯一の課題は、水をどうやって取り出すかだ。最近の研究によると、月の砂（レゴリス）を電子レンジでチンするだけで簡単に取り出すことができるようだ。

水は月全域に微量に存在するが、極域に最も多く存在する。極域の影になる部分に氷のポケットが集中している。この氷のポケットは、砂粒の中に雪が混じっているような状態だ。このような物質から飲料水を抽出することを想像して欲しい。ストーブで温めようとしても、乾燥しすぎていて均一に温まらない。また、氷を溶かすことに成功したとしても、湿ったドロドロの水になってしまうだろう。

模擬月面を使ったこれまでの研究で、従来の導電加熱は水を抽出できるものの、特に効果が高いわけではないことが分かっている。つまり、そのためには多くの電力が必要で、コロニーを維持できるほどスケールアップするのは難しいのだ。そこで今回の研究では、マイクロ波を使って水を抽出することを検討した。

電子レンジで何かを温め直したことがある人なら、よくある問題として、時々当たり外れがあることをご存知だろう。ホットポケットのように、熱い部分と氷の部分が隣り合わせになってしまうだけでなく、少し湿っているような状態で加熱してしまうこともある。これは、水分子がマイクロ波によって強く励起されるためで、オーブンによって水分子が物質の中で、通常は表面に向かって移動することがある。そのため、マイクロ波調理が物質から水を抽出できることは、以前から知られていたことだ。研究チームは、それを月の物質で効果的に行えるかどうかを知りたかったのだ。

チームは、2つの月面の模擬物質に注目した。ひとつは月高地（LHS-1）、もうひとつは月海面（LMS-1）だ。そして、氷の含有率を変えて、どれだけ効率よく水を抽出できるかを調べた。その結果、わずか250ワットの特殊な電子レンジを使えば、30分程度で約55％から67％の水を抽出できることが分かった。これは、極地からたくさんの水を抽出するのに十分実用的であり、彼らが使用したマイクロ波技術は、月面で簡単に構築・維持することができるだろう。興味深いことに、この方法は、水分含有量の多い材料になると効果が低くなり、従来の伝導加熱がより効果的になるということだ。

論文

Acta Astronautica: Water extraction from icy lunar simulants using low power microwave heating

研究の要旨

月の極域にある永久影の領域で水氷を抽出するための最適な技術を特定することは、将来の科学技術ミッションのために、これらの場所への長期的または恒久的な定住がどの程度成功するかを決定する上で非常に重要である。本研究では、低電力マイクロ波加熱法を用いて、氷に覆われた月の模擬物質から水を抽出する。異なる含水率（3-15 wt%）の月の高地と海盆の模擬物質のサンプルを、250 W、2.45 GHzのマイクロ波を使って加熱した。25分間の加熱で最大67±5%[2SD]の水が抽出された。高地用シミュラントからは、雌馬用シミュラントよりも効率よく水が抽出された。氷に覆われた月面の模擬物質で水の抽出効率が異なるのは、模擬物質によって試料の空隙率が異なることが大きな理由であると考えられる。氷で満たされた細孔は、粒同士の接触面積が減少し、自由氷の面積が増加するため、加熱性能の低下を招く。その結果、粒間の接触面積が水の抽出を支配していると思われるため、模擬物質間の化学組成の違いは、水の抽出に無視できない影響を与えることがわかった。本研究により、低出力マイクロ波加熱は、極低温のIcy模擬物質から水を抽出するための有効な技術であることがわかった。また、単純な入力エネルギーの原理（入力エネルギー＝吸収電力×加熱時間）を用いて追加加熱時間を見積もることで、吸収電力の違いによる非効率な加熱を克服するのに十分であることがわかった。飽和していない試料では、マイクロ波加熱は効率的な加熱メカニズムでしたが、飽和した試料では効率が悪く、マイクロ波加熱を採用する前に、別の加熱方法で自由氷を融解する方が効率的かもしれません。

この記事は、BRIAN KOBERLEIN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。