スペースコロニー: 人工光合成が地球外での生命維持の鍵となる可能性

2023 年 6 月 7 日

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カタリーナ・ブリンカート著、ザ・カンバセーション

地球上の生命は、23 億年前の光合成のおかげで存在しています。 この非常に魅力的な（そしてまだ完全には理解されていない）反応により、植物や他の生物は太陽光、水、二酸化炭素を収穫しながら、それらを糖の形で酸素とエネルギーに変換することができます。

光合成は地球の機能に不可欠な部分であるため、私たちはそれを当然のことと考えています。 しかし、私たちが探検し定住する場所を地球の外に目を向けると、このプロセスがいかに稀で価値のあるものであるかは明らかです。

Nature Communications に掲載された新しい論文で同僚と私が調査したように、人工光合成の最近の進歩は、地球から離れて生存し繁栄するための鍵となる可能性があります。

人間は酸素を必要とするため、宇宙旅行は困難になります。 特に月や火星への長距離旅行をしたい場合は、燃料の制約により、持ち運べる酸素の量が制限されます。 火星への片道旅行には通常 2 年程度かかります。これは、地球から資源を簡単に送ることができないことを意味します。

国際宇宙ステーションでは、二酸化炭素をリサイクルして酸素を生成する方法がすでに存在しています。 ISS の酸素の大部分は「電気分解」と呼ばれるプロセスで生成されます。このプロセスでは、ステーションのソーラーパネルからの電気を使用して水を水素ガスと酸素ガスに分解し、宇宙飛行士が呼吸します。また、宇宙飛行士が呼吸する二酸化炭素を変換する別のシステムもあります。水とメタンの中へ。

しかし、これらのテクノロジーは信頼性が低く、非効率で、重く、保守が困難です。 たとえば、酸素の生成プロセスには、「環境制御と生命維持」をサポートする ISS のシステム全体を実行するのに必要な総エネルギーの約 3 分の 1 が必要です。

したがって、月や火星への旅行で使用できる代替システムの探索が進行中です。 1 つの可能性は、(宇宙に豊富に存在する) 太陽エネルギーを収集し、それを 1 つの装置のみで酸素の生成と二酸化炭素のリサイクルに直接使用することです。

このような装置への他の入力は水だけであり、自然界で行われている光合成プロセスと同様です。 そうすれば、ISSなどで光の採取と化学物質の生成という2つのプロセスが分離されている複雑なセットアップを回避できるだろう。

これは、宇宙探査の 2 つの重要な基準であるシステムの重量と体積を削減できる可能性があるため、興味深いものです。 しかし、それはより効率的でもあります。

太陽エネルギーを直接捕捉する過程で放出される追加の熱（熱）エネルギーを、化学反応の触媒（点火）に利用することで反応を加速することができます。 さらに、複雑な配線とメンテナンスが大幅に軽減されます。

私たちは、月や火星での応用のためのこのような統合型「人工光合成」装置の性能を分析および予測するための理論的枠組みを作成しました。

これらのデバイスは、植物や藻類の光吸収を担うクロロフィルの代わりに、目的の化学反応をサポートする単純な金属触媒で直接コーティングできる半導体材料を使用します。

私たちの分析は、これらの装置が実際に、ISS で使用されている酸素発生器アセンブリなどの既存の生命維持技術を補完するのに実行可能であることを示しています。 これは、反応を促進するために太陽エネルギーを集中させる装置（本質的には入射太陽光を集中させる大きな鏡）と組み合わせる場合に特に当てはまります。

他のアプローチもあります。 例えば、月の土壌（レゴリス）から直接酸素を作り出すことができます。 しかし、これが機能するには高温が必要です。

一方、人工光合成装置は、火星や月に見られる圧力下で室温で動作することができます。 これは、水を主な資源として使用し、生息地で直接利用できることを意味します。

これは、将来の月探査ミッションで着陸が予定されている月のシャクルトン・クレーターに氷水が存在することが規定されていることを考えると、特に興味深い。

火星の大気はほぼ 96% が二酸化炭素で構成されており、人工光合成装置には理想的であると思われます。 しかし、赤い惑星では太陽からの距離が遠いため、光の強さは地球よりも弱くなります。

それで、これは問題を引き起こすでしょうか？ 実際に火星で得られる太陽光の強度を計算してみました。 私たちは、ソーラーミラーがさらに重要になるにもかかわらず、実際にこれらのデバイスをそこで使用できることを示しました。

酸素やその他の化学物質の効率的かつ信頼性の高い生産と、宇宙船内および居住環境における二酸化炭素のリサイクルは、長期にわたる宇宙ミッションのために習得する必要がある大きな課題です。

既存の電気分解システムは高温で動作するため、大量のエネルギー入力を必要とします。 そして、火星で二酸化炭素を酸素に変換する装置は、光合成に基づいているかどうかにかかわらず、まだ初期段階にある。

したがって、この技術を宇宙で使用できるようにするには、数年間の集中的な研究が必要です。 自然の光合成から重要な部分をコピーすることは、私たちにいくつかの利点をもたらし、そう遠くない将来にそれらを実現するのに役立つ可能性があります。

見返りは莫大なものとなるでしょう。 たとえば、実際に宇宙に人工的な雰囲気を作り出し、長期的なミッションに必要な肥料、ポリマー、医薬品などの化学物質を生産することができます。

さらに、これらのデバイスの設計と製造から得られる洞察は、地球上のグリーン エネルギーの課題に対処するのに役立つ可能性があります。

私たちは幸運なことに、酸素を生成する植物や藻類を持っています。 しかし、人工光合成装置を使用して、（砂糖の代わりに）水素または炭素ベースの燃料を生成することができ、貯蔵して輸送に使用できるエネルギー豊富な化学物質を生産するための環境に優しい道が開かれる可能性があります。

宇宙の探査と将来のエネルギー経済には、持続可能性という非常に似た長期的な目標があります。 人工光合成装置はそれを実現する鍵となる可能性がある。

詳しくは： Byron Ross 他、月と火星の酸素および燃料生産のための光電気化学デバイスの技術的実行可能性の評価、Nature Communications (2023)。 DOI: 10.1038/s41467-023-38676-2

雑誌情報:ネイチャーコミュニケーションズ

ザ・カンバセーション提供

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