サーマルマイニングによる月面水採取: (第一報)レゴリス内の伝熱解析と水採取方法の検討

Abstract

近い将来、人類は月近傍や月面に生存圏を拡大し、月と地球が一体となった新たな経済システムが実現すると予想される。当社は、株式会社 ispace とコーポレートパートナー契約を結び、民間月面探査プログラム「HAKUTO-R」にて、月面着陸船に搭載した水電解装置により世界で初めて月面環境下で水から水素と酸素を作り出すことを目指している。近年の観測によれば月面の土砂（Regolith、以下レゴリス）中には水が存在することが明らかになっており、将来は、月面での水電解には月のレゴリスから採取した水を使用する予定である。そこで当社はレゴリスから水を直接採取する「サーマルマイニング」技術の新規開発に取り組んでいる。月面レゴリスからの水採取の実現に至るまでには、月面上で水（氷）の存在が有望視される地域での地質学的調査や水氷の正確な位置、含有量、範囲などを確定するための分析など、いくつかのステップが必要になると考えられる。本報では、これらのステップを経た後、月の水資源を実際に採取することを考えながら、水氷の状態を予想するとともに、世の中で検討されている月面水資源の採取方法について考察した。また水資源の採掘に多くの重機を必要とせず、レゴリスをその場で加熱して水採取できるサーマルマイニング技術に注目し、当社独自の新しい手法を考案した。更に、月の真空レゴリス内の熱伝導や対流熱伝達、凝縮・凝固潜熱を加味した伝熱計算を行い、レゴリスを効率よく加熱する方法について検討したので報告する。

It is anticipated that humans will colonize planetary bodies including the Moon. Thus, a new economic system that integrates the Moon and the Earth will likely be developed in the near future. We have signed a corporate partner contract with ispace Co., Ltd. Our aim is to generate hydrogen and oxygen from water that might be present under the lunar surface, for the first time, using the water electrolyzer in the ''HAKUTO-R'' private lunar exploration program promoted by ispace. Recent observations have increased the possibility that water is present in the lunar regolith. If so, it may be possible to use this water for water electrolysis on the lunar surface in the future. Anticipating this, we have commenced the development of a novel ''thermal mining'' technology that collects water directly from regolith. Details including the location, amount, and range of water within the lunar surface have not been clarified fully. The next step required before lunar water mining can become possible is a geological survey in areas where the presence of water is promising. In this study, we went through those steps and then predicted the state of lunar water while considering actual lunar water mining. We also considered the method being studied globally to mine lunar water and focused on thermal mining technology that can heat the regolith at a particular spot and collect water without the need for heavy machinery. We then devised a unique new method for the latter, in connection with which we calculated heat transfer by considering heat conduction, convection, and the latent heat of condensation and solidification in the vacuum regolith and examined how to efficiently heat the lunar regolith.