サムネイル|ISRU 逆水性ガスシフト反応テストベッド(NASA ケネディ宇宙センター) サムネイル|ISRU Pilot Excavator – A NASA project 現地資源利用（げんちしげんりよう、,ISRU）とは、地球から打ち上げる代わりに、現地（月、火星、小惑星など）で発見または製造された物質を収集、処理、保管、利用する手法である。
ISRUは、宇宙船のペイロードや宇宙探査クルーに生命維持に必要な材料、推進剤、建設資材、エネルギーを提供することができる。 現在では、宇宙船やロボットによる惑星表面ミッションにおいて、現地で得られる太陽放射を太陽電池で利用することが非常に一般的になっている。材料生産のためのISRUの利用は、宇宙ミッションではまだ実施されていないが、2000年代後半に行われたいくつかのフィールドテストでは、関連する環境下でさまざまな月面ISRU技術が実証されている。
ISRUは、特定の惑星を探査するために地球から打ち上げなければならないペイロードの量を大幅に削減できる可能性があるため、宇宙探査アーキテクチャの質量とコストを削減する可能性のある手段として長らく検討されてきた。NASAによると、「現地資源利用は、地球から持ち込む物質を最小限に抑えることで、地球外探査と運用を手頃な価格で確立することを可能にする」
用途 水 用途としては、ロケット燃料の原料、飲料水、食料の栽培、酸素の生産、その他多くの工業プロセスなどがある。前提として現地に豊富な水資源とそれを抽出するための設備を必要とする。このような地球外の水は、太陽系全体で様々な形で発見されており、多くの潜在的な水抽出技術が研究されてきた。レゴリス、固体氷、あるいは何らかの永久凍土に化学的に結合した水については、十分な加熱によって水を回収することができる。しかし、氷や永久凍土は岩石よりも硬い場合が多く、骨の折れる採掘作業が必要となるため、見た目ほど簡単ではない。もう一つの可能性のある水源は、火星の地質学的潜在熱によって温められている深層帯水層であり、これを利用して水と地熱発電の両方を得ることができる。
ロケット推進剤 月の極で検出された水氷を処理することで、月面からロケット推進剤を製造することが提案されている。考えられる困難としては、極低温での作業やレゴリスからの水の抽出などが挙げられる。ほとんどの計画では、水を電気分解して水素と酸素を生成し、それらを液体として極低温で貯蔵する。これには大量の設備と電力が必要となる。あるいは、核熱ロケットまたは太陽熱ロケットで水を加熱することも可能かもしれない。これにより、限られた設備量で、比推力ははるかに低いものの、月面から低地球軌道（LEO）へ大量の物資を輸送できる可能性がある。
単一推進剤である 過酸化水素 (H2O2) は火星や月の水から作ることができる。
アルミニウムやその他の金属は、月資源を使用して製造されるロケット推進剤としての使用が提案されており、アルミニウムを水と反応させる提案も含まれている。
火星では、メタン推進剤はサバティエ反応によって製造できる。SpaceXは、この反応を利用してメタン（）を生成する推進剤製造工場を火星に建設することを提案している。
金属 歴史的に、宇宙ISRUを検討する際には、酸素が主要な抽出対象の1つだった。宇宙における酸素の主な供給源は惑星のレゴリスであり、これを化学的に還元して酸素を抽出すると、副産物として金属も生成する 。NASAによるアルテミス計画の発表の少し前に、金属抽出を特に対象としたプロセスの研究がより一般的になり始めた。Sanders, Gerald B. "Overview of past lunar in situ resource utilization (ISRU) development by NASA." European Space Agency (ESA) Workshop: Towards the Use of Lunar Resources. No. JSC-E-DAA-TN58303. 2018.地球外資源から抽出された金属には、建設材料(Si, Al, Fe, Mg, Ti, Mn, Cr)、固体ロケット燃料（Al、Mg）、エネルギー貯蔵（K、Na、Mn、Ti、Mg、Fe、Al、Si）、熱媒体および冷却剤（NaK）など、多くの用途が提案されている。
宇宙での金属抽出のために調査された多くのプロセスは、すでに地球上で確立された技術だが、宇宙対応設計では、重力、圧力、放射線条件、サプライチェーンの問題、水の入手可能性、自動化/遠隔操作の必要性など、宇宙で見られる著しく異なる条件を考慮する必要がある。
太陽電池の製造 月面土壌に含まれる材料から太陽電池を製造できる可能性は以前から示唆されてきた。太陽電池の製造に必要な主要材料であるシリコン、アルミニウム、ガラスの3つは、月面土壌に高濃度で存在し、太陽電池の製造に利用できる。 実際、月面の自然真空は、太陽電池用の薄膜材料を直接真空蒸着するのに最適な環境を提供する。
月面で製造された太陽電池アレイは、月面活動だけでなく、月面外の衛星の運用にも利用できる。月面で製造された太陽電池アレイは、地球から製造・輸送された太陽電池アレイよりも費用対効果が高い可能性があるが、このトレードオフは、対象となる特定の用途の場所によって大きく左右される。
月由来の太陽電池アレイのもう1つの潜在的な用途は、地球への電力供給である。宇宙太陽光発電として知られる当初の提案は、地球の代替電源として意図されていた。太陽電池は地球軌道に打ち上げられ、組み立てられ、生成された電力はマイクロ波ビームを介して地球に送られる。このような事業のコストについては多くの研究が行われたが、不確実性は月面での製造手順のコストと複雑さにあった。
建築資材 惑星や衛星の植民地化には、レゴリスなどの現地の建築材料を入手する必要がある。例えば、エポキシ樹脂とテトラエトキシシランを混合した人工火星土壌を用いた研究では、強度、耐性、柔軟性のパラメータにおいて十分な値が得られている。
小惑星採掘には、宇宙空間での建設資材として金属を抽出することも含まれる可能性があり、これは地球の深い重力圏や、月や火星のような他の大きな天体からそのような資材を運び出すよりも費用対効果が高いかもしれない。金属質の小惑星には、貴金属を含む大量の親鉄性金属が含まれている。
場所
火星 火星におけるISRU研究は、主に有人ミッションまたはサンプルリターンミッションのいずれかで地球への帰還のためのロケット推進剤を提供するか、火星での燃料として使用することに焦点を当てている。提案されている技術の多くは、よく特性が解明されている火星の大気を原料として使用している。これは地球上でシミュレートできるため、これらの提案は比較的簡単に実装できるが、NASAやESAがより従来型の直接ミッションよりもこのアプローチを優先するとは限らない。
ISRUの典型的な提案は、火星表面でメタンを生成し、それを推進剤として使用するために、サバティエ反応を利用することである。火星に水が存在することが科学的に証明されていなかった2008年頃は、地球から水素（軽い物質）だけを運ぶ必要があると考えられていた。
、SpaceXは、サバティエ反応を利用した火星推進剤プラントの技術を開発するという目標を表明している。メタンと酸素を作るために地球から水素を輸送するのではなく、地下の水氷から必要な水を採掘し、サバティエ反応後の反応物を生成して貯蔵し、それを2023年以降にスターシップの帰還飛行の推進剤として使用する計画だと述べている。 2023年現在、SpaceXはISRU技術の設計や仕様を一切作成または公表していない。
火星で提案されている同様の反応は、逆水性ガスシフト反応、である。この反応は、鉄クロム触媒の存在下で400 °Cで急速に起こり 、 NASA によって地球上のテストベッドで実施されている 。ここでも、水素は電気分解によって水からリサイクルされ、反応には地球からの少量の水素しか必要ない。この反応の最終的な結果は、ロケット燃料の酸化剤成分として使用される酸素の生成である。
酸素と燃料の生成のために提案された別の反応は、大気中の二酸化炭素の電気分解である。
\overset{atmospheric \atop {carbon\ dioxide}}{2CO2} ->[\text{energy}] {2CO} + O2
月
月には、将来の様々な用途に関連する可能性のある豊富な原材料が存在する。その用途は、月面における人間の活動を促進するための月面材料の使用から始まり、地球・月系における将来の産業能力を支えるための月面資源の使用へと発展する。天然資源には、太陽光、酸素、水、水素、金属などがある。Lunar ISRU 2019: Developing a New Space Economy Through Lunar Resources and Their Utilization. 15–17 July 2019, Columbia, Maryland.
月の高地の物質である灰長石はアルミニウム鉱石として使用できる。製錬所は灰長石から純粋なアルミニウム、カルシウム金属、酸素、シリカガラスを生産できる。未加工の灰長石は、グラスファイバーやその他のガラスおよびセラミック製品の製造にも適している。処理技術の1つには、フッ化カリウムとして地球から持ち込まれたフッ素を使用して、月の岩石から原材料を分離する方法がある。
月面レゴリスから酸素を抽出する方法として、20種類以上の異なる方法が提案されている。 酸素は、鉄を多く含む月の鉱物やガラスに酸化鉄 として含まれていることが多い。酸素は、物質を900 ℃以上の温度に加熱し、水素ガスにさらすことで抽出できる。基本的な式は、FeO + H2 → Fe + H2Oである。このプロセスは、クレメンタイン探査機が月の極付近で大量の水素含有レゴリスを発見したことで、最近実用的になった。
月の物質は、焼結、熱プレス、液化、鋳造玄武岩法などの加工技術によって、一般的な建築材料としても利用できる。 鋳造玄武岩は、地球上で、例えば、高い耐摩耗性が求められるパイプの建設に使用されている。ガラスとガラス繊維は、月や火星で簡単に加工できる。バサルトファイバーは、月のレゴリス模擬物質からも作られている。
地球上では、2種類の月面レゴリス模擬物質 MLS-1とMLS-2を用いた試験が成功裏に実施されている。 2005年8月、NASAは、月面土壌を現地でどのように使用できるかを研究するために、16トンの模擬月面土壌、すなわち月面レゴリス模擬物質の製造を契約した。
火星の月, ケレス, 小惑星 他の提案はフォボスとダイモスに基づいている。Anthony Zuppero and Geoffrey A. Landis, "Mass budget for mining the moons of Mars," Resources of Near-Earth Space, University of Arizona, 1991 (abstract here or here ).これらの衛星は火星の比較的高い軌道にあり、脱出速度が非常に低く、火星とは異なり、表面から低軌道への帰還デルタVは月面からの帰還デルタVよりも小さい。
準惑星ケレスは火星よりも遠く、デルタVは大きいが、打ち上げウィンドウと移動時間は良好で、表面重力はわずか0.028gで、脱出速度は510m /sと非常に低い。研究者たちは、ケレスの内部構造は岩石質の核の上に水氷を豊富に含むマントルが存在すると推測している。
地球近傍小惑星や小惑星帯の天体も、ISRU（現地資源利用）のための原材料の供給源となる可能性がある。 惑星の大気 推進流体蓄圧器と呼ばれるものを使用して、ロケット推進のための「採掘」を行う提案がなされている。低軌道上の推進流体蓄圧器衛星によって、地球、火星、および外側の巨大惑星などの惑星の大気から酸素やアルゴンなどの大気ガスを抽出することができる。
ISRU（現地資源利用）能力分類（NASA） 2004年10月、NASAの先進計画・統合オフィスはISRU能力ロードマップチームを編成した。同チームの報告書は、他の14の能力ロードマップチームの報告書とともに、2005年5月22日に公表された。この報告書では、7つのISRU能力が特定されている。
資源抽出、 資材の取り扱いと輸送、 リソース処理、 現地資源を用いた惑星表面での製造、 惑星表面での建造、 地表ISRU製品および消耗品の保管および流通 ISRU独自の発展および証明された能力
報告書は月面および火星環境に焦点を当てている。詳細なタイムライン 2040年までの能力ロードマップが示されているが、2010年と2012年に月着陸船が存在することを前提としている。
ISRU技術の実証機およびプロトタイプ 火星酸素現地資源利用実験（ , MOXIE）は、マーズ2020探査車パーサヴィアランスに搭載された1%スケールのプロトタイプモデルで、固体酸化物電解と呼ばれるプロセスで火星の大気中の二酸化炭素(CO2) から酸素を生成する。この実験は、2021年4月20日に最初の5.37グラムの酸素を生成した。
月面資源探査車は、月の極域で資源を探すために設計され、2022年に打ち上げられる予定だった。ミッションのコンセプトは事前策定段階にあり、プロトタイプ探査車がテストされている最中、2018年4月に中止された。Resource Prospector . Advanced Exploration Systems, NASA. 2017.その科学機器は、NASAの新しい商業月面輸送サービス（ , CLSP）プログラムが契約した複数の商業着陸機ミッションに搭載される予定である。このプログラムは、複数の商業着陸機と探査車に複数のペイロードを着陸させることで、さまざまな月面ISRUプロセスをテストすることに重点を置いている。最初の正式な募集は2019年に予定されていた。資源探査車の精神的後継機はVIPER（探査車）となった。
関連項目 月の地質 月の水 ルナクリート 火星の植民 宇宙移民 惑星保護 小惑星の鉱業
脚注
参考文献 Resource Utilization Concepts for MoonMars; ByIris Fleischer, Olivia Haider, Morten W. Hansen, Robert Peckyno, Daniel Rosenberg and Robert E. Guinness; 30 September 2003; IAC Bremen, 2003 (29 Sept – 3 Oct 2003) and MoonMars Workshop (26–28 Sept 2003, Bremen). Accessed on 18 January 2010.
外部リンク UW AA Dept. ISRU Research Lab ISRU solar cell manufacture ISRU on the Moon Moon Ice For LEO to GEO Transfers Orders of magnitude lower cost for rocket propellant if lunar ice is present Homesteading the Planets with Local Materials
In-Situ Resource Utilization (ISRU) Capabilities nasa.gov