V体育具有世界最高实力的月球基础设施建设材料制造技术 - 载人探索和长期停留月球基础设施建设取得进展 -

演示要点

〇〇我们详细研究了模拟月球沙在微波真空加热过程中的化学结构和微波响应性变化，并确定了显着降低建筑材料力学性能的热失控因素。
〇〇我们根据推测的反应现象设计了一种新的加热控制方法，并成功仅使用月砂作为原料，真空加热制造了具有世界最高水平机械性能（抗压强度）的烧结熔体。
〇〇向月球基础设施建设高强度建材制造技术的实际应用迈出了一大步。

总结

　V体育生命与应用化学学院先进陶瓷研究中心的白井隆副教授和加藤邦彦特聘助理教授领导的研究小组开发出了仅使用月砂的高强度建筑材料的微波真空加热制造技术。我们根据模拟月球沙的化学结构和高真空中微波响应的变化推测出的各种现象，设计了一种新的加热控制方法，通过抑制热失控这一长期存在的制造问题，实现了世界最高水平的抗压强度。这是一项重要研究成果，将极大推进载人探测和月球长期停留任务基础设施建设的实现。
　该研究成果将于2024年11月15日发表在国际学术期刊《在线突发新闻版

研究背景

　为了实现载人月球探索和长期停留任务，包括“阿耳忒弥斯计划”（NASA）在内的日本国内外各种项目正在稳步推进，预计2040年左右，将在月球上建立以宇航员为主的数百至1000人的载人停留点。不言而喻，大气层极其稀薄，水是稀缺资源，而月球（*1）上恶劣的环境使得大规模载人探索和长期停留变得更加困难。此外，覆盖月球表面的细沙（风化层（*2））的存在会导致月球车的运输效率和太阳能发电效率降低（灰尘损害）。因此，通过发展月球基础设施来提高运输效率、确保安全显得尤为重要。此外，为了尽可能降低从地球运输建筑材料的成本，建立利用月球资源的建筑材料制造技术（*3）已成为当务之急。
　迄今为止提出的建筑材料制造技术可大致分为“(1)通过化学反应固化的方法”、“(2)压缩和压实的方法”和“(3)加热、烘烤和熔化的方法。其中，方法3被认为是有利的，因为它不需要任何稀缺的水资源或月球上不存在的添加剂(有机粘合剂等)，并且它提供了最高水平的机械强度。然而，在在极高的真空条件下，利用热对流和传导的传统电炉加热被认为效率较低，因此该研究小组专注于微波加热技术，尽管利用微波加热技术V体育月球基础设施的概念实际上已经提出了20多年，但热失控一直是阻碍该技术实际应用的问题。化合物本身的热分解变得明显，在冷却和硬化时会导致快速膨胀，形成多孔结构（图1），这是一个致命因素，不仅导致成型过程中无法保持形状，而且会显着降低建筑材料（烧制熔体）的机械强度。温度控制的难度。

　在这项研究中，我们详细研究了高真空下月球表面模拟沙（风化层模拟物（*4））的微波加热行为、微观结构和化学结构，阐明了微波加热过程中发生的各种现象，并设计了一种可以克服技术问题的新加热方案。结果，我们仅以月球模拟砂为原料，通过高真空微波加热制造，成功生产出具有世界最高水平机械性能（抗压强度：~65 MPa）的建筑材料。

研究内容/结果

微波加热过程中微观结构变化和气体产生现象的研究
　本研究采用大型245GHz微波加热炉进行加热生产（图2）。将样品放入不吸收微波的容器（石英玻璃制）中，通过与高真空排气系统连接，在高真空（＜10×10 -2 Pa）下控制加热。以国产风化层模拟物（FJS-1）为原料。
　在大气条件下，即使经过热处理，它仍然非常脆（如果抓得太紧，它会崩溃），而在高真空条件下，即使在相同的处理温度下，也能获得致密的结构。此外，我们发现，当热处理温度升高时，即使相差仅 50°C，状态也会发生巨大变化（图 3）。因加工气氛不同而产生的颜色变化是由于氧化铁的化学结构造成的，这将在后面解释。发生热失控的试验片内部确认有大量的细孔（数百μm左右）。监测加热期间的真空度的结果证实，在1000℃以上的温度下真空度迅速降低。这是由于硅酸盐化合物的热分解产生大量气体。对容器内壁附着的化合物进行化学分析发现，产生的气体不仅含有构成硅酸盐矿物的主要元素（硅、钠等），还含有微量的铁（Fe）。

微波响应变化和热失控因素的识别
　对微波吸收特性的详细研究表明，与大气加热条件相比，真空加热产生的煅烧熔体的吸收率几乎是大气加热条件的两倍（图 4）。还确认了该吸收特性具有很强的温度依赖性，并且具有随着温度升高而增大的倾向。此外，它对微波的电场和磁场分量表现出高度响应性，在短短 90 秒内达到超过 800 °C 的温度（当施加微波电场时）。结构分析结果表明，上述真空加热过程中的发黑现象是由于磁铁矿（Fe₃O₄）的形成，而大气加热（氧化气氛）导致赤铁矿（Fe₂O₃：红棕色)。众所周知，磁铁矿是一种具有高微波吸收率的材料。研究表明，真空加热过程中氧化铁化学结构的变化对微波吸收的改善有很大贡献，同时也可能是由于选择性微波响应而导致局部加热和热失控的因素。这与生成的气体含有Fe元素的事实相一致。

通过新型加热设计实现高强度建材生产
　基于估计的微波加热现象，我们设计了一种新的加热控制方法（多步加热控制）来克服微波加热制造技术的局限性。这种控制方法成功地促进了三维玻璃网络的形成，同时抑制了热失控和形状变化（图5）。由此，我们无需强力等静压冷压等特殊预处理，就实现了真空加热制造具有世界一流力学性能（抗压强度：~65 MPa）的建筑材料（与同类研究的性能对比：表1）。

　

社会意义

　利用微波加热技术，可以仅使用月球表面可用的材料来制造建筑材料，而不需要任何添加剂，从而可以获取取之不尽用之不竭的资源，这有望大大降低来自地球的运输成本。通过设计一种新的加热程序，能够响应加热过程中化合物化学结构和微波响应的变化，我们克服了微波加热制造长期以来的局限性，使我们离实现月球基地制造工艺又近了一步。

未来发展

　目前，该课题组的目标是V体育住宅设施保护层、月球起降场和月球起降飞行器运输路线铺装材料的量产技术。据了解，风化层的矿物成分随开采地点的不同而变化很大，为了验证该制造技术的实际可行性，对不同矿物成分的模拟月表砂的微波加热行为和力学性能的影响进行了全面研究。此外，通过使用抛物线飞行（*6）进行微重力实验，我们计划详细研究微重力下的加热、熔化和气体生成行为对建筑材料的微观结构和机械性能的影响。

这项研究得到了国土交通省“空间V体育利用加速战略计划/创新空间无人施工技术V体育”、与大林公司的联合研究以及JSPS科学研究补助金JP23H07153（研究代表：白井隆）的支持。

术语表

(注1)月球环境恶劣
低重力 (1/6G)、强烈辐射、极端温差、微陨石碰撞和尘埃损害（风化层）。

（注2）风化层
覆盖整个月球表面的几米到几十米厚的沉积层。据说风化层是由陨石撞击、太阳风和宇宙射线等太空风化过程经过数亿年形成的。

(注3)利用月球资源的建筑材料制造技术
这称为ISRU（原位资源利用）。

（注 4）风化层模拟物
由于 NASA 带回地球的样本非常稀有，因此他们经常使用模拟风化层化学成分、颗粒大小和分布以及其他机械性能的沙子（风化层模拟物）。它通常是通过调整地球上发现的天然矿物质的组合而产生的。

(注5)图4(A)中微波吸收特性的变化
值(ε*tanδ)越高，微波吸收能力越高。

(注6)抛物线飞行
一项通过在飞机上进行抛物线运动来创造接近失重状态的实验。

*所列出的产品名称等专有名词是各公司的服务等的注册商标。

论文信息

论文标题：月球基地建设玄武岩风化层模拟微波真空加热的多步热设计
作者姓名：Kunihiko Kato 和 Takashi Shirai* *通讯作者
出版杂志名称：Scientific Reports
发布日期：2024 年 11 月 15 日（在线）
DOI：101038/s41598-024-79504-x
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研究相关

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