2000 年代初頭の新しい宇宙および商業宇宙 (SpaceX、Blue Origin など) の出現により、宇宙環境から貴重な資源を取得するという数十年前の概念が復活しました。宇宙コミュニティでは ISRU (その場資源利用) として、より広くは「宇宙資源」として知られているこのアイデアには、鉱物、元素 (炭素、酸素など)、およびその他の貴金属や揮発性物質を惑星体の表面から抽出することが含まれます。
宇宙環境でこれらの物質を回収すると、地球から資源を打ち上げる必要性が減り、打ち上げコストが劇的に下がり、惑星間ミッションの寿命が延び、地球への資源採取の影響が緩和されます。
これらの貴重品を収穫するには、強度や凝集力などの物理的特性に関する知識が必要です (石油の掘削や地球上の鉱体の掘削に似ています)。抽出装置の設計は、これらの特性の期待に基づいており、地球外で利用可能な電力とエネルギーの制限、および地球から質量を発射するための高いコストにより、これらの設計に制約が課されます。私たちが遭遇する可能性が高い表面の強度に関する適切な知識がなければ、2014 年にコメット 67P の表面を貫通するフィラエ着陸船の MUPUS-PEN デバイスの失敗によって証明されるように、ミッション失敗のリスクが劇的に増加します (Biele et al., 2015).
将来のミッションのリスクを軽減し、太陽系の彗星や小惑星の表面プロセスに関する洞察を提供するためのステップとして、MIT の研究者であるジャレッド アトキンソン、サラ シーガー、ウィリアム ダーラムは、2 つの地球上の岩石の極低温挙動を特徴付けることに努めました。ビショップ凝灰岩とインディアナ石灰岩 – それぞれ潜在的な彗星と小惑星の類似体として. 77 K から 295 K の範囲の温度および 5 MPa の封圧 (ほとんどの場合) での、乾燥および完全に水で飽和したサンプルの破壊強度 (圧縮応力下) の実験室測定は、氷で飽和したサンプルの挙動の驚くべき外観を提供します。地球外の表面およびその下で見つかる可能性のある物質。
氷点 (0C または 273 K) より下では、氷で飽和した類似体の強度は、温度の低下とともに劇的に増加し、氷で覆われた岩石は、乾燥した岩石単独またはその細孔を満たす氷よりも強い程度にまで達します (図1)。一般に、材料の組み合わせは、個々の材料特性のある程度平均的な特性を持ちますが、ここでは、「グラウト」として知られる間隙氷によって乾燥した岩が大幅に強化されます。氷は細孔内に構造要素を形成し、本質的に細孔空間内の弱いガス (通常は空気) を硬い固体に置き換えます。氷の結晶構造内の特定の熱活性化プロセス (転位クリープなど) の遅延により、氷が温度の低下とともに強化されると (Durham et al., 1992)、氷の岩石も同様に強化されます。
極低温での多孔質岩石に対する氷の強化効果の大きさは驚くべきものです (図 1)。飽和石灰岩は強度が 4 倍に増加し、凝灰岩はほぼ 10 倍になりました。粒状彗星類似物質の同様の硬化結果は、いわゆる「KOSI」実験中に Kochan らによって 1989 年に報告されました。 (1968) は、限定されていない圧力条件で同様の石灰岩がまさにそのように強化されることを観察しました。
惑星科学者と ISRU 研究者にとって特に興味深いのは、これらの極低温での飽和類似体の挙動です。具体的には、優勢な延性に似た挙動から優勢な脆性への移行です。図 2 は、240 K での延性状 (サンプルの中心部の膨らみによって示される) から 150 K での破壊の脆性状の性質 (サンプルに沿った大きな破砕と膨らみの欠如によって示される) までの凝灰岩の挙動の比較を示しています。長さ）。これらの状態間の遷移は 150 K と 200 K の間で発生し、180 K を超える温度での脆性から延性への氷の遷移によって支配される可能性が非常に高い (Durham et al., 1983)。
マサチューセッツ工科大学の研究者は、この研究結果は、小惑星や彗星に見られる氷で飽和した物質の強度の上限として解釈されるべきだと示唆しています。石灰岩と凝灰岩はどちらも地球の岩石であり、彗星や小惑星には見られない特性を持っています。特に、石灰岩は超硬炭酸塩岩ですが、炭素質コンドライトに似た密度と空隙率を持っています (Britt et al., 1987)。彗星と小惑星の表面が完全に飽和する可能性は低く、表面の圧力は一般に 5 MPa よりはるかに低いと予想されます。
ただし、結果は、極低温で氷の表面と相互作用するミッションでは、少なくとも数 MPa を超えるかなりの強度が予想されることを意味します。近い将来に複数のサンプル回収ミッションが計画されており、ISRU を実現するための宇宙コミュニティでの強力な推進により、MIT によって示された極低温での強度の増加は、ミッションの成功を確実にする上で重要な考慮事項になります。
これらの調査結果は、最近 Icarus 誌に掲載された「氷で飽和した地球外の岩石類縁体の強度」というタイトルの記事で説明されています。 この作業は、マサチューセッツ工科大学の Jared Atkinson、 William B. Durham、および Sara Seager によって実施されました。
参考文献
- Biele, J., Ulamec, S., Maibaum, M., Roll, R., Witte, L., Jurado, E., Muñoz, P., Arnold, W., Auster, H., Casas, C., Faber, C., Fantinati, C., Finke, F., Fischer, H., Geurts, K., Güttler, C., Heinisch, P., Herique, A., Hviid, S., Kargl, G.、Knapmeyer、M.、Knollenberg、J.、Kofman、W.、Kömle、N.、Kührt、E.、Lommatch、V.、Mottola、S.、Pardo de Santayana、R.、Remetean、E.、 Scholten, F., Seidensticker, K.J., Sierks, H., Spohn, T., 2015. フィラエの着陸と彗星表面の機械的特性に関する推論。サイエンス 349 (6247)、9816-1 – 9816-6。
- Britt, D.T., Yeomans, D., Housen, K., Consolmagno, G.J., 1987. 小惑星の密度、空隙率、および構造:Asteroids III.アリゾナ大学出版局、pp. 485–500。
- Durham, W.B., Heard, H.C., Kirby, S.H., 1983. 高圧および低温での多結晶 H2O 氷の実験的変形 – 予備結果、:第 14 回月惑星科学会議議事録、パート 1。 B377–B392.
- Durham, W.B., Kirby, S.H., Stern, L.A., 1992. 惑星条件における水の氷のレオロジーに対する分散粒子の影響。 Ｊ．Ｇｅｏｐｈｙｓ．解像度97、20,883-20,897。 https://onlinelibrary.wiley.com/action/cookieAbsent
- Kochan, H., Roessler, K., Ratke, L., Heyl, M., Hellman, H., Schwehm, G., 1989. 異なるモデル彗星材料の地殻強度, in:彗星の物理学と力学資料。
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- Podnieks, E.R., Chamberlain, P.G., Thill, R.E., 1968. Environmental Effects on Rock Properties, in:Gray, K.E. (編)、基本的および応用ロック メカニクス。 pp. 215–241.
