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アーカンソー大学の研究チームは、月面を覆う砂や岩片「レゴリス」を再現した模擬土を使い、結合材を加えずに組み合わせられるブロックを3Dプリンターで作製しました。月面の材料で建設部材を作り、地球から運ぶ物資を減らすことを目指した研究で、造形した立方体の圧縮強度は最大約3.4メガパスカルでした。実用化に向けた課題は、強度の改善と、微小重力・真空環境での検証です。
結合材を使わず、数センチの部材を組み合わせる
研究では、粉末を薄く敷き、レーザーで加熱して粒子同士を結び付ける「レーザー粉末床溶融結合法」を用いました。造形面を下げて新たな粉末を敷き、加熱を繰り返して立体を作ります。材料には、アポロ計画で採取された月の試料を模した市販の月高地模擬土「LHS-1」を使いました。
作製したブロックは幅数センチで、十字形やH字形などの形状があります。レゴブロックのようにかみ合わせ、追加の接合材なしで異なる構造に組み替えられる設計です。研究チームは、大きな構造物を直接造形する代わりに、小型の共通部材を組み立てる方法を検証しました。
比較的低出力の光源で模擬土を直接焼結し、建設用の組み替え可能なブロックにする実証は初めてです。研究成果は学術誌「npj Advanced Manufacturing」に掲載され、研究当時は学部生だったコール・マッカラム氏が筆頭著者、機械工学助教のワン・ショウ氏が責任著者を務めました。
輸送する添加材を減らす一方、エネルギーと強度に課題
レゴリスを使う従来の3D造形には、樹脂などの結合材や溶剤を加える方法があります。結合材は部材の強度や寸法精度を高められる一方、月面で使うには地球から運ぶ必要があります。今回のように結合材なしで焼結する方法は、添加材の輸送を省けますが、より多くのエネルギー投入が必要です。
今回の模擬土だけで作った部材は、結合材を使った部材より内部の空隙が多く、構造的に弱いという課題があります。マッカラム氏は、作製した構造は自立できるものの、現段階でほかの荷重を支える用途に使えるとすることには慎重な姿勢を示しています。
造形条件も仕上がりに影響します。実験では、レーザー出力を高めるほど焼結する深さが増し、走査速度を遅くすると熱の影響が深くまで及びました。一方、粉末の不規則な形や粒径のばらつき、不均一な溶融により、造形する線の幅の制御は難しく、狙った幅より広くなりました。
模擬土は月の粒子や化学組成を完全には再現しない
実験に使ったLHS-1は、月の高地に多い斜長岩質の特徴を持ち、アポロ16号の高地試料に近い鉱物組成を再現しています。粒子は角張った不規則な形で、実際の月のレゴリスが持つ摩耗や流動の性質を部分的に再現します。こうした粒子は互いにかみ合いやすく、粉末を均一な薄い層に広げるうえでの課題です。
LHS-1の原料は、約74％のグリーンランド産斜長岩と約25％の玄武岩質の火山砕屑物に、少量の鉱物を加えたものです。月のレゴリスには結晶質の成分に加え、衝突で生じたガラスや、粒子が融着した凝集粒子が含まれ、地球上の原料だけで忠実に再現することは困難です。
焼結に関わる違いとして、月では地球に比べてナトリウムやカリウムが少なく、月の鉱物と模擬土では融解や溶けた物質の粘性に差が生じます。ショウ氏は、今回の工程を微小重力や真空のもとで理解するための追加研究と、実用に向けたブロックの機械的性能の最適化が必要だとしています。
月面の防護構造でも検討されるレゴリス
今回の研究が目指す月面建設では、現地のレゴリスを放射線や微小隕石からの防護に使う構想も検討されています。NASAの「ARMOR」は、展開式の膜で未加工のレゴリスをアーチ状に保持し、その下の空間に人や機器を収める防護構造の構想です。
NASAの「Lunar Safe Haven」構想でも、居住設備の周囲と上部に別の構造を設け、レゴリスで覆う方法が検討されました。居住設備の外面にレゴリスを直接接触させず、防護層の内側から保守作業ができる構成です。レゴリスの層には、宇宙飛行士や機器が受ける放射線量を減らし、微小隕石の衝突から守る役割が想定されています。
