中国、軌道上で人工光合成を実証　酸素とロケット燃料を生成

軌道上の簡易実験、自給自足型の宇宙飛行に道

中国は、宇宙空間で資源を生産する初の成果を挙げたと発表した。天宮宇宙ステーションで神舟19号の乗組員が小型の人工光合成装置を使い、二酸化炭素と水から、呼吸に必要な酸素と、ロケット推進剤の生産原料となる炭化水素のエチレンを生成した。引き出し型の装置内で12回の制御実験を行ったこの実証は、地上の植物が行う基本的な化学反応を軌道上で機能するよう設計できることを示している。

この成果が際立つのは、生成物だけでなく、実現した条件にもある。多くの化学プラントで必要となる極端な条件ではなく、システムは室温、標準気圧で稼働した。また微小重力下で、気体や液体の流れを精密に制御することにも成功した。気泡が上昇せず、液体が沈降しない環境での制御は、よく知られた課題だ。チームは生成物をリアルタイムで記録し、酸素の発生と炭化水素の生成の両方を確認した。

この技術は2015年から中国で開発が続けられてきた。宇宙で機能することが確認されたのは、乗組員を継続的な補給に頼らず支える計画にとって、大きな節目となる。宇宙船が飛行中に空気や燃料を作れるようになれば、ミッションの重量を減らし、安全性と柔軟性を高められる。同じ技術は月や火星の拠点にも応用できる可能性がある。そこには凍結状態または大気中の水や二酸化炭素が存在する。

当局者によると、触媒を交換すればシステムを調整し、メタンやギ酸など異なる生成物を作ることができる。メタンはすでに有力なロケット燃料であり、ギ酸はより複雑な化学反応の原料となり得る。これには、食料生産研究に向けた糖の合成工程も含まれる。この柔軟性は、生命維持から推進剤の供給まで、1台で複数の役割を担う将来像を示している。

システムの仕組み

人工光合成は植物の仕組みを模倣するが、葉ではなく人工材料を使う。簡単に言えば、過程は2つの部分からなる。一方では水を分解して酸素を作り、O2を船内に送る。もう一方では二酸化炭素に電子と水素を加え、エチレンやメタン、ギ酸塩などの分子を作る。エネルギーは、太陽電池パネルで変換した太陽光、または装置内の半導体触媒を直接活性化する光から得る。

化学反応を平易に解説

天宮の装置内では、半導体触媒が二酸化炭素と水の反応する表面を提供する。エネルギーが加わると、触媒が原子の組み替えを促す。水から酸素と水素が取り出され、二酸化炭素が炭素を供給する。触媒によって、炭素原子の結合の仕方が変わる。銅系触媒では炭素同士が結び付き、エチレンが生成されやすい。他の材料ではメタンや一酸化炭素が生成されやすい。技術者は、目的の生成物に合わせて触媒を選ぶ。

天宮で使用された装置は、高圧タンクや高温を必要としない室温での反応経路を採用しているとみられる。電力消費を抑えられるため、1ワット単位で管理する宇宙船では重要だ。また、酸素は船内気圧で流し、炭化水素は貯蔵するか、重装備の圧縮機を使わずに処理工程へ送れるため、空気管理システムにも組み込みやすい。

天宮の乗組員が実際に行ったこと

2024年10月下旬にミッションを開始した神舟19号の乗組員は、引き出し型のモジュール内で12回の実験を行った。装置には、気体、液体、固体を含む三相反応を管理するための触媒、流路、センサーが収められていた。チームは酸素の生成を確認し、推進研究の重要な目標生成物であるエチレンの発生を測定した。

大きな課題の1つは、微小重力下での流体制御だった。地上では気体と液体は自然に分離するが、軌道上では表面張力が支配的になる。天宮の装置には、反応物を触媒に接触させながら生成物を外へ流し、反応を継続させるための流路、膜、流量制御装置が備わっていた。実験では気体の移動と分離の挙動を記録し、今後の設計に役立てる。

微小重力下での制御が重要な理由

気泡が触媒に付着すると、生成量が減る。液体が反応面に均一に届かなければ、高温部分や乾燥部分が生じる。実験室での実証と、貯蔵タンクへ供給できる生成物の流れを実現することを分けるのは、精密な流量制御だ。天宮で集められたデータは、工程を大規模化するために必要な指針を技術者に与える。

今回の試験は、重力がない環境で日常的なプロセスがどう働くかを調べる、宇宙ステーションでの実験の積み重ねに加わる。天宮ではこれまでにレタスやトマトの栽培、さらには火炎の挙動を調べるためのマッチの点火などが行われてきた。こうした研究は、地球外で工場や農場を運営するために必要な実践的知識を築く。

生命維持と推進にとっての重要性

ロケットで地球から運び出さずに済む物資が1キログラム増えるごとに、費用とリスクを抑えられる。酸素はその代表例だ。国際宇宙ステーション（ISS）では、太陽電池パネルの電力を使う電解装置で水を分解し、酸素を生成している。酸素生成にはステーションの生命維持に必要なエネルギーの約3分の1が使われるとの推計もある。この方法は機能しているものの、電力消費が大きく、水や消耗品の定期的な補給にも依存している。

人工光合成は別の選択肢となる。宇宙飛行士が吐き出す二酸化炭素を酸素に戻し、同じ装置内で燃料となる炭化水素分子も作ることができる。反応は室温、船内気圧で進むため、電力需要を抑えられる。酸素と推進剤を自給できるステーションや基地は、補給の間隔を延ばし、科学研究や運用により多くの電力を回せる。

生成物の選択肢にも価値がある。メタンは、再使用を目指す設計を含む多くの現代的なエンジンで液体酸素と組み合わせて使われる。ギ酸は水素を化学的に貯蔵し、後で利用できる。エチレンはそのまま燃料として使うことも、精製して別の燃料や材料にすることもできる。廃棄される炭素を有用な分子に変えるシステムがあれば、ステーションにある水の1リットル、太陽光の1ワットを余すところなく活用できる。

エチレンは宇宙船の燃料になるのか

エチレンは炭素原子を2つ持つ単純な炭化水素だ。液体酸素とよく燃焼し、エンジンやスラスターの燃料として利用できる。研究用エンジンや試験飛行で使われた実績もある。性能はエンジンの設計によるが、メタンやプロパンと同じ系統に属する。軌道上での利点は、銅系触媒を使えば二酸化炭素の還元から直接エチレンを得られることだ。

一方で、課題もある。エチレンは室温で気体のため、貯蔵には圧縮または冷却が必要だ。多くのミッションでは、液体酸素とともに極低温で扱いやすいメタンが好まれる。また、エチレンは原料にもなる。追加の処理を加えれば、液体や製造に役立つプラスチックに変換できる。天宮の実験では、目標生成物としてエチレンを生成できることが示されたが、将来のミッションでは用途に応じて触媒を調整し、メタンやギ酸塩を作る可能性もある。

推進剤の選択は、全体の一部にすぎない。ほぼすべての化学ロケットで、推進剤のうち重い側を占めるのは酸素だ。宇宙で安価に酸素を作れる装置があれば、打ち上げが必要な質量を減らせる。炭化水素を当初は地球から運ぶとしても、酸素を現地で供給するステーションが実現すれば、ミッションの計画は有利になる。

宇宙ステーションから月へ

中国は、2030年までの有人月面着陸と、2030年代前半から半ばの国際月面研究ステーション建設を公に目標に掲げている。2024年の報道では、ロボットを使って小型原子炉を組み立て、基地に電力を供給する計画が伝えられた。電力は必要な要素の1つだ。次に必要なのは、貨物便に頼らず空気と燃料を供給する仕組みであり、天宮での実験はその目標の土台になると位置づけられている。

将来の軌道上補給網

もう1つの要素は、軌道上で推進剤を移動させ、共有する能力だ。2025年1月、中国は軌道上での燃料補給技術を試験するため、実践25号衛星を打ち上げた。ステーションでの生産と組み合わせれば、燃料の構成成分を作るプラットフォームと、それを衛星や軌道間輸送機に配るプラットフォームからなる補給網が見えてくる。実用化された場合、有人または無人のプラットフォームが人工光合成でCO2と水から酸素とメタンを作り、タンカー衛星がランデブーして推進剤を回収し、加速を必要とする宇宙船に届ける形が考えられる。月面では同様の装置が居住施設に酸素を供給し、軌道への打ち上げに備えてメタンを貯蔵する。各地点では、現地の太陽光や原子力で化学反応を進める。

今後必要なこと

天宮の装置は概念実証であり、まだ工場ではない。乗組員を支えたり、宇宙船に燃料を補給したりするには、生成量を桁違いに増やさなければならない。そのためには、反応面の拡大、より優れた熱管理、目詰まりせず数カ月にわたって使える触媒が必要だ。宇宙放射線や温度変化で材料が劣化する可能性もある。技術者は耐久性を試験し、大型の装置を打ち上げずに部品を交換できる方法を確立する必要がある。

分離と貯蔵も同じく難しい。酸素は呼吸用にもエンジン用にも高純度で供給しなければならない。炭化水素は副生成物から分離し、安全に圧縮または液化する必要がある。宇宙船内で酸素と燃料を扱えば火災のリスクが高まるため、設計者はバルブやセンサー、厳密な隔離によってリスクを低減しなければならない。いずれも克服不能な課題ではないが、慎重な設計と反復試験が欠かせない。

生命維持システムの循環系との統合によって、実際の効果が決まる。ISSでは電気分解と反応装置を組み合わせ、CO2と水素から水とメタンを作り、循環の一部を閉じている。将来のステーションでは、複数の経路を選択または併用できる。最適な設計では、空気中のCO2を回収して酸素を継続的に作り、電力に余裕がある時間帯に燃料を貯蔵へ回すことも考えられる。日常的な運用には自動化が不可欠となる。

世界の取り組みの中での位置づけ

地球外での資源生産は、各国の宇宙機関が共通して取り組む重点分野だ。NASAは火星探査車パーサビアランスにMOXIE実験装置を搭載し、火星大気から酸素を取り出す試験を行い、小型装置で火星の酸素を作れることを実証した。欧州宇宙機関や多くの研究機関は、太陽光や電力を使ってCO2を変換する光触媒を研究している。民間企業は、現地で作る酸素と組み合わせるメタンエンジンを設計している。こうした計画に共通するのは、現地の資源を使い、打ち上げ時の質量を減らすという考え方だ。

これまで軌道上の生命維持実験では、植物の栽培や生物学、電気分解が中心だった。天宮での実験は、室温、標準気圧で二酸化炭素還元システムが炭化水素と酸素を軌道上で生成したとの初の報告だ。この一歩により、1台の装置で生命維持と推進剤供給が結び付く。低地球軌道、月周辺空間、月面のいずれにおいても、今後のプラットフォームが目指す水準を引き上げる成果だ。

競争は進歩を加速させる可能性がある。月面基地や深宇宙ミッションを計画する中国は、この技術の大規模化を目指すだろう。米国、欧州、日本なども現地資源利用の計画を進めており、近く独自の実証実験を行う可能性がある。技術者にとって目指すべき成果は、手間をかけずに数カ月間稼働する実用的な装置だ。

要点

• 神舟19号の宇宙飛行士が、天宮で人工光合成の実験を12回行った。
• 装置は室温、標準気圧でCO2と水から酸素とエチレンを生成した。
• 実験を通じて、微小重力下での流体制御とリアルタイム検出が検証された。
• 触媒を交換することで、用途に応じてメタンやギ酸を生成できる。
• ISSの水電気分解と比べ、消費電力を抑えることを目指している。
• エチレンは推進剤として、または他の燃料や材料の原料として利用できる。
• 中国は軌道上での生産と燃料補給試験を進め、2030年までの有人月面着陸を計画している。
• 今後の主な課題は、生産量の拡大、長期安定性、安全な貯蔵と取り扱いだ。