有人月面着陸を2024年までに再び果たせとの指令が米国のドナルド・トランプ大統領から下されて以来、米航空宇宙局（NASA）とパートナー企業たちは懸命の努力を続けている。こうしたなかNASAは2020年4月下旬に3つの企業と契約し、有人月面着陸ロケットの開発を委託した。
しかし、月に降り立つことはNASAにとってほんの出発点にすぎない。実はNASAには、もうひとつの計画がある。10年以内に月面に恒久的な宇宙基地を建設し、地球と火星とを結ぶ中継施設として使用することだ。
何人もの宇宙飛行士たちが同時に数週間にわたる月面生活を送るとなれば、生き延びるための具体的な術が必要になる。とはいえ、必要な物資をすべて地球から運ぼうとすれば、莫大な費用がかかるだろう。
つまり、もとから月にある限られた資源を工夫して使うしかないのだ。月を覆うレゴリスは建築材料として使える。月の南極地帯に氷の状態で存在する水は、ロケットの燃料に加工できる。
だが、今後は最も有望な資源として、宇宙飛行士たちの尿が注目されるかもしれない。
尿素×月の砂＝建築材料
欧州のある研究者チームによって20年初め、水に次いで人間の尿に多く含まれる尿素と月の砂を混ぜたものが、建築材料として使えることが実証された。この素材は「ジオポリマー」と呼ばれるコンクリートに似た物質で、ロケットの着陸台や住居など、さまざまな施設を月面に建築する際に利用できる可能性があるという。
ジオポリマーは、従来のコンクリートに代わるエコフレンドリーな素材として、すでに地球上で広く使われている。コンクリートの主な成分のひとつであるセメントは製造過程で高温処理が欠かせないことから、二酸化炭素を大量に排出する。これに対してジオポリマーの生成には、エネルギーがほとんど必要とされないのだ。
ジオポリマーでセメントの代わりとなっているのは、石炭を燃やした際に生じる「フライアッシュ」と呼ばれる石炭灰や砂利だ。これらに水と特殊な反応性化合物を混ぜるとパテ状になるので、あとは自由に成形してそのまま乾燥させればいい。
月面では、インフラ設備のほとんどが工業用3Dプリンターを使ってつくられることになるだろう。レンガを使っていたのでは効率が悪すぎるし、可能な工法も限られる。その点3Dプリンターなら、レンガづくりの家より複雑な設計の居住施設を、無人で完成させられる。
月のレゴリスは、化学的に見てフライアッシュとの類似点が多い。このため月面の建築材料としてジオポリマーが大いに有望視されているのだ。ただし、難点もある。ジオポリマーの生成には、3Dプリンターのノズルに流すための大量の水が必要になるのだ。
「月の上では水は大変な貴重品です」と、欧州宇宙機関（ESA）の先進概念チーム（ACT）のメンバーで、この研究論文の共同執筆者でもあるマーリーズ・アーンホフは言う。「そこでわたしたちは、もっと少量の水でジオポリマーを生成することを研究の主な目的のひとつとしていました」
「おしっこ製ポリマー」が人を守る？
素材の流動性を損なうことなく節水を可能にする混和剤を、「高性能減水剤」と呼ぶ。地球上で高性能減水剤として使用されるのは、ナフタリンやポリカルボン酸塩といった物質だ。
しかし、アーンホフらの研究によって、月面でもたやすく手に入るであろう尿素も同様の働きをすることが明らかになった。宇宙飛行士の尿をろ過して汚れを取り除き、残りの水を再利用するといった手間をかけずとも、尿をそのままタンクに貯めておけば尿素を抽出できるはずだと、彼女は言う。
研究チームはこの発想を実際に試してみた。まず、粉末状にした尿素を月の表土に似せた物質と混ぜ合わせ、こぶし大の円筒状に成形する。おもしをのせて乾燥させたあと、3Dプリンターのシリンジから層状に重なるように押し出す。こうしてできあがったものを、従来の製法でつくったジオポリマーと比較してみた。
「とてもうまくいきました」と、アンナレーナ・ジョニクセンは言う。ノルウェーのオストフォールド大学で材料科学を研究する彼女は、論文の共同執筆者としてこの実験に参加している。「全体的に、特にひび割れが起きなかった点において、最高の結果が得られたと思います」
こうして開発された「おしっこ製ポリマー」は、月面に存在する電離放射線による被ばくの危険から宇宙飛行士を守る、シェルターの建築にも利用できるかもしれない。月には大気や強力な磁場がないので、太陽から届く放射線をはね返せない。つまり、月面での滞在期間が長引くほど、宇宙飛行士たちの発がんリスクは高まるのだ。
ジオポリマーは、地球上で核廃棄物の封じ込めに威力を発揮しそうな素材としてにわかに注目を浴びているが、同じ原理で月に滞在する宇宙飛行士たちを守ってくれるはずだと、アーンホフは言う。放射能が外に漏れることを防ぐのではなく、外から入り込まないようにするわけだ。
ESAは引き続き、尿素でつくったジオポリマーに放射線を遮断する効果があるか見極める研究にも取り組んでいる。だが同時に、月面でジオポリマーの生成が可能であることを証明しなければならない。
アーンホフのチームが直近の実験でジオポリマーを生成したのは、窓を開け放った常温の室内でのことだった。だが月面の低重力かつ真空状態という環境下では、3Dプリンターを使った作業ははるかに多くの困難を伴うはずだ。
またジオポリマーには、華氏260度からマイナス280度（126.7℃からマイナス137.8℃）という月面の激しい気温変化に対する耐久性も求められる。
残る「量」の問題
尿素が使用されているか否かにかかわらず、ジオポリマーには、同様に月面における建設作業への応用が検討されているシンタリング（焼結）に代わる手段として期待がかけられている。そう説明するのは、米国のセントラルフロリダ大学に所属する惑星科学者で、月面資源の専門家でもあるフィル・メッツガーだ。
シンタリングとは、月面の砂に高いエネルギーをかけ、細かい粒子同士を融着させる技術である。とはいえ、月面で電力を確保することは難しい。大規模施設を建設しようと思えば、メガワット級のソーラー発電設備をつくり、フル稼働でシンタリング施設に電力を供給しなければならないだろう。それなら、ジオポリマーを使った施設建築へとシフトするほうが簡単なはずだ。
それでは、月面で尿素を高性能減水剤として用いることなどできるのだろうか。メッツガーの見方は懐疑的である。それより地球からポリマーを運び込むか、あるいは必要な成分を月の氷から採取するほうが現実的だと彼は言う。
「十分な量の尿を確保できるとは思えません」と、メッツガーは指摘する。「それだけの大人数を月に集めて排泄してもらうわけにはいかないでしょう」。足りないぶんを補うために、NASAが尿を満載したロケットを月に飛ばすとは思えない。
飲料水や肥料としても重宝
とはいえ、宇宙飛行士の尿にはセメント以外にも多くの使い道がある。ひとつは飲料水として再利用することで、これは国際宇宙ステーションでも行なわれている。
月面の南極地帯には凍った状態で水が存在しているが、この氷を集めて利用するためにどれだけの困難が伴うかは、まだわかっていない。月の水には水銀や硫化水素などの有害物質が含まれていることから、人間が安全に飲めるようにするには浄水処理が必要になるのだ。
リサイクルした尿の代わりに月の水を飲めるようになったとしても、宇宙飛行士の尿の使い道として、ジオポリマーが最良の選択とはならないかもしれない。食料の栽培に使うというよりよい選択肢があるからだ。
尿素はアンモニアと二酸化炭素に分解されるが、ある種の微生物の力を借りることで、このアンモニアから肥料として使える硝酸塩をつくることができる。つまり、尿をリサイクルして水をつくり、尿素を野菜の肥料の原料として利用するという、閉鎖生態系の生命維持システムを構築できるかもしれないのだ。
ドイツ航空宇宙センター（DLR）の研究チームは、人間の尿で野菜を育てる研究に数年前から取り組み、成果を上げている。同チームは18年後半、ミニチュア版の「おしっこ温室」を使った栽培実験を地球の軌道上で実施するために、人工衛星を打ち上げた。
不毛の地である月面では、あらゆる液体の1滴1滴が重要な意味をもつ。建築材料、肥料、命を支える糧と用途がいかなるものであろうと、人類が活動の場を太陽系へと広げるにつれて、人の尿は大きな役割を果たすことになりそうだ。宇宙旅行のわくわく感は、かつてないほど高まっている。
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