shinku kankyo ni bakurosareta morutaru oyobi konkurito no kisoteki seishitsu ni kansuru kenkyu

Ｑ. み. UI. (7). ・. KodaG kra Sy cale Ａ Ｉ rQ.

-. 真空環境に曝露されたモルタルおよび コンクリートの基礎的性質に関する研究. 1995年10月. 金森. 洋史.

-. 目. -. 第１章 １．１. 序. 論. 序. 言. 本研究の目的と概要. １．２. 次. 一. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・. 2.1. 月の環境. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・. 1-2. １. 2.2. 月の資源. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・. 1-4. １. 2.3. 研究の着眼点. １. 2.4. 研究概要. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・. 1-5. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・. 1-6. 研究の背景 最近の宇宙開発動向. ２．２. 宇宙開発と建設. 2.2.2 ２．３. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・. ２-１. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・. ２-４. 宇宙開発と建設の関わり. 技術開発動向. ・・・・・・・・・・・・・・・・. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・. 地球外資源の利用. ２．３．１. 地球外資源利用の意義・・・・・・・・・・・・・・・・・. ２-８. ２．３．２. 宇宙開発と材料技術. ２．４．１. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・. 論. 2-11. 月資源利用に関する研究‥・・・・・・・・・・・・・・2-12. 2.4.3. 月コンクリートに関する研究. 2太４. 乾煙に関する研究‥・・・・・・・・・・・・・・・・・2-28. 第 ３章. ‥・・・・・・・・・・・・2-16. 初期材齢における真空曝露の影響. ３．１ 3.2. 2-9. ‥・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・2-11. 概. ２．４．２. ‥・・・・・・・・・・・・・・. ２-７ ２-８. 既往の研究. はじめに. 実験概要. 3-1. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・. ３．２．１. 要因と水準. ３．２．２. 供試体. ３．２．３. 測定項目‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥３-３. ３．２．４. 実験装置‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥. 3.2.5 ３．３. １. 2-4. ・・・・・. 2.4. １. 2-1. ２．１. ２．２．１. １. 1-2. １. 第 ２章. １. 実験手順. 3-1. ３-１. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・. ３-１. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・. ３-２. 3-3. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・. 実験結果および考察. ３-７. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・. ３-８. ３．３．１. モルタルの外観の変化. ・・・・・・・・・・・・・・・・・. ３-８. ３．３．２. 温度の変化. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・３-１２. ３．３．３. 質量の変化. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・3-16.

-. ３．４. ３童のまとめ. ・・・・・・・・. ・・・・・・・・・・・・・・・3-21. ６. １. ２. 要因と水準・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・. ６．２．２. 長期的に真空曝露したモルタルの基礎的性質. 第４章. はじめに. ４．１. ４．２. ４. ４．２．２. 供試体. ４．２．３. 実験装置・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・. 6.2.5. 実験手順. 実験結果および考察. ４-２. 6.3.2. 長さの変化. ４．２．４. 実験装置. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・. ４-３. 6.3.3. 強度特性の変化. ４．２．５. 実験手順. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・. 4-4. 3. 実験結果および考察. 4. 第 ５章. 5.2. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・4-25. 実験概要. 5.2.1. 4-25. 多変量モデルによる長さ変化率の表示. はじめに. 一一一一・一一・. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・. ２．２. 要因と水準. ５. ２．３. 供試体. ５. ２．４. 測定項目‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥. 6章のまとめ. ・・・・・・・・・・6-13. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・6-14. はじめに. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・. 7-1. 2. 実験概要. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・. ７-１. ７-１. ７．２．３. 供試体. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・. ７-３. ５-１. ７．２．４. 測定項目. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・. ７-６. 5-1. ７．２．５. 実験装置. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・. ７-６. ７．２．６. 実験手順. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・. 7,7. 5-1 ７. 5-1. ７．３．２. 5-6. 真空曝露時の温度の影響. ５．３．２. 種々の乾燥作用の影響. ５-９. ・・・・・・・・・・・・・・・・. ・・・. ・. ・・・・・・・・・. ・. ・・・・・. ・・. ・. ・. ・. ・. ・. ・. ・. 実験概要. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・. ・. ・. 6-1. ・・・. ・・. ・. ・・・・・・・一一一一一一. ７-９. 真空曝露コンクリートの基礎的性質に及ぼす. 4. 統計式による表示. フ. 5. 7童のまとめ. ８．１. ・. ・5-33. 6-1 ・. 真空曝露モルタルの基礎的性質に及ぼす. フ. 第 ８章. 長期的に真空曝露したコンクリートの基礎的性質 はじめに. ７-９. ・一一一一・・・・・・一一7-15. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・7-20. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・7-23. ５-９. ・・・・・・・・・・・・・・・・・5-21. ・. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・. セメントおよび混和材料の影響. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・5-29. ・・・・・・・. 実験結果および考察. セメントおよび混和材料の影響. ５-３. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・，. ５．３．１. 3. ７．３．１. 5-4. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・. 7-1. １. 5-1. 実験結果および考察. 真空曝露したモルタルおよびコンクリートの基礎的性質に及ぼす. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・. 実験手順. ６．２. 多変量モデルによる長さ変化率の表示. 要因と水準. ５．２．６. 章. 6-11. ７．２．２. ５-４. ６．１. 重回帰分析による基礎的性質の変化傾向. ７-１. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・. 5章のまとめ. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・6-11. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・. 実験装置. 5. 6-8. 実験の種類. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・. 統計式による表示. 6-7. ７．２．１. ５．２．５. 4. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・. 6-6. フ. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・4-30. ５. 3. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・. フ. ・・・・・・・・・・4-27. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・. 実験の種類. ６-６. セメントおよび温和材料の影響. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・4-21. モルタルの基礎的性質に及ぼす曝露環境の影響. ５．１. 第７章. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・４-１６. 重回帰分析による基礎的性質の変化傾向. 4章のまとめ. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・. 6-4. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・4-13. 細孔分布特性の変化. ４．４．２. 5. 6-4. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・. 統計式による表示. ６．４．２ ６. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・４-１１. 強度の変化. 統計式による表示. 5. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・４-１０. 長さの変化. 4. ６．４．１. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・４-１０. 質量の変化. 含水量の変化. ６. 質量の変化. 6-2. 6-4. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・. ４．４．１. 第６. 6.2.4. 3. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・. 測定項目. ４．３．５. ５. 4-1. 測定項目. ６．３．１. 4.3.4. ５. ６. 6.2.3. ４-２. ４．３．３. ５. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・. 4-￨. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・. ｚｌ 。 ３．２. ４. 4-1. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・. 要因と水準. ４．３．１. ４. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・. 実験概要. 4.2.1. 4-1. 供試体. 6-1. ・. 6-1. 拡散方程式による収縮ひずみ挙動の解析 はじめに. ・・. ・・・. ・・・. ・. ・. ・. ・. ・. 8-1. ・. ・・. ・. ・・・・. ・・・・. 8-1. ８. ２. ８. ３. ８. ４. 拡散定数の既往の研究結果との比較. ・・・・・・・・・・・・・. 8-6. ８. ５. 真空曝露開始材齢と拡散定数の関係. ・・・・・・・・・・・・・. 8-8. ８. ６. 拡散モデルと解析条件. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・. 線形拡散方程式の解析結果. 8章のまとめ. ・・・・・・・・・・・・・・・・・. 8-1. 8-4. ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・8-10.

-. 序. 第９章. 結. 論. 9-1. 論. 第１章. 序. 謝. １. 辞. １. 一 一 一 己. 現在，アメリカを中心として進められている宇宙開発計画は，従来の米ソが演じた 参考文献. ような国家の威信や軍事目的に基づいた開発競争とは異なり，人類の将来を考えた本 格的かつ大規模なものである．このような開発を一国で実施することは経済的にもは. 付録−１. 実験結果一覧. 付録−２. セメント協会法による強熱減量ならびに不溶残分の測定. 付録−３. 用語および記号. や不可能であり，地球規模の国際協力が不可欠と考えられる．我が国では，現在，科 学技術庁・宇宙開発事業団（NASDA）や文部省・宇宙科学研究所などを中心とする独 白の宇宙開発を進めているが，今後はこれらの成果を活用し，国際的な宇宙開発計画 への経済的および技術的貢献を進めていくことは必至の状況である． 基本的な構想では，まず，低地球軌道（地上約500. km）」1に宇宙基地を建設し，. その後西暦2020年頃までに月に本格的な基地を建設する．月基地における種々の活動 が……一応5の目的を果せる段階となった後，次に火星を目指す． このような宇宙開発を進めていくうえで重要なことは，宇宙活動に必要な物資をで きるだけ現地（宇宙）で調達することである．これは，地球からの物資の運搬費用が 非常に高いことに加え，地球外資源を有効に利用することが，宇宙開発の目的の‥一つ にもなっているからである．したがって，月基地の建設においても月資源の有効利用 を㈲る必要がある．現在，期待される材料の一つとして，コンクリートなどのセメン ト系材料が挙げられる．月資源からセメントを製造できる可能性が高いことや，基本 的なコンクリートの性質が月の環境に比較的適していると考えられていることなどが その主な理由である． 月コンクリートに関する研究が本格的に開始されたのは1980年代に入ってからで あり，以来，セメントの製造に関連した化学論的考察やコンクリート翌月構造物の設. ｜. ｜. 」. 計などを中心に検討が進められてきている．これらに加え，月におけるコンクリート の適用性を論ずる場合には，コンクリートの基礎的性質に及ぼす月環境の影響を把握 することも重要であると考えられるが，現状ではこれに関する研究はほとんど行われ ていない．本研究は，このような月環境の. 一つとして「爽空環境￨に着目し，コンク. リートやモルタルの基礎的性質に及ぼす影響を実験的に検討したものである．この種 の研究は，￨lt界でも他に例を見ないことに加え，「真空」による極端な乾燥環境を考 慮することにより，地球上のコンクリートに発生する乾燥収縮の問題にも関連した多 くの情報を与えるものと考えられる．. １. １. １.

-. １. ２. （３）温度. 本研究の目的と概要. 月表面の温度は，季節に応じた太陽からの距離，昼夜の違いおよび月面上の位置に よって異なる．アポロ宇宙船の飛行士らによる観測結果から，概ね-230∼120℃の範 １．２．１. 月の環境. 囲で変化すると考えられる．また，地上からの電波を使った観測から，月面下ｌｍの. J｣は様々な面において地球と異なった環境を有している．それらの中で，月におけ る活動に大きな影響を及ぽすと考えられる主な環境について以下に概説する．. れている≒ （４）放射線. (１)大気 J｣には，水素，ヘリウム，ネオン，アルゴンなどから構成される極めて薄い大気が 存在することが，アポロの飛行｣こらによる観濤』から明らかとなっている．月の大気に 含まれる分子密度の測定結果を表−１．１に示すI'.地表面における気体の分子密度がお よそ10jg /c. 温度はおよそ-30℃となっており，昼夜にかかわらずほぼ一定になっていると考えら. ｢，地上500. km では107/cm3であることと比較すると，月の大気は非常に. 希薄であることがわかる．これらの分子どうしが衝突することは，極めて稀と言われ. 月には人気ならびに月全体を取り巻く磁場が存在しないため，月面には銀河宇宙線， 太陽風ならびに太陽フレア粒子などの放射線が降り注く≒通常時にもっとも問題とな るのは太陽風であるが，11年周期で活動する太陽フレアは，通常時のおよそ1000倍の エネルギー粒子を照射する2’ . 銀河宇宙線は，線量こそ低いものの各粒子のもつエネル ギーが高く，太陽から離れるほどその影響が大きくなる．これらの放射線はいずれに しても，原子炉で発生する放射線よりもはるかに大きなエネルギー（最大で数Gevレ. ている2'. J｣表面の気圧は約l. x 10'“ Pa (1気圧＝lx. ｢Pa)であり，地上では高性能の真空. ポンプを使用してもこの圧力に到達することは難しいことから，工学的には通常，. ペル）を有している．したがって，その遮蔽検討に必要な解析計算コードには，まだ 十分なデータが与えられていないのが現状である． （５）隅石. ￨真空｣として扱われる．. 月面には大小様々な限石が落下する．大きな阻石では】ｔ級のものが観測されてい 表−１．１. 月の大気に含まれる分子の密度1） 分子. 昼間 (粒子/c. 夜間 ｢) (粒子/c. 4 × 103. 4He. 2X】()3. 4XI04. 2oNe. 4×1()3. 1 X I05. 恥Ａ「. IXI()2. 3 × 10.｀. ４ｏＡｒ. 1.6x101 3 X I05. く103. Ｃ０２. 6 × 10j. く]()j. ＣＨ４. フX I04. 以上のほかにも，大気が希薄なことに起因して，微小な砂粒子（ダスト）が様々な 物に付着してしまう現象や，光の散乱がないために風景のコントラストが強い（眩し さと暗さが極端な）ことなども，将来的に検討しなければならない月環境として挙げ られている．. 来検出. Ｎａ. 6.7x]OI. 来検出. Ｋ. I.5 × 101. 来検出. 表−１．２. 微小クレーターの発生類度4’. クレーター直径 ｈｍ）. （２）重力 J」表面の重力加速度は1.62. の衝突速度は秒速十数kmと非常に速いため，直径500μm程度のクレーターを生成す ると言われている!1.. ＜103. ＣＯ. （月の地震）によって観測される．表−１．２は直径ｌｍｍまでの微小なクレーターの 大きさとその発生頻度の関係を示したものである4’.重さ１μｇの小さな限石でも，そ. ｢). 1.2 × 104. H2. るが，一一般的には小さな限石ほど頻繁に落ﾄ’する．副石の衝突はクレーターや月震. m/sec2であsJ ，これは地上の重力加速度9.81mﾉsec2の. 約1/6である31 . 脱出速度は月が2.38. kmﾉsec，地球が1】.2k. すると，例えば地球の静止軌道上（高度約36,000. ｢secとなる．これから計算. km）に物資を打ち上げる場合，月か. らの打ちﾄ_げに必要なエネルギーは，地球から打ちヒげるエネルギーの約1ﾉ22となる．. ＞Oj. 3(X)､()00 12､000. ＞1 ＞10. 3､000. ＞100. 0.6. 1()(X). ().()01. このことは，１．１で述べたような地球外資源を有効に利用しようという理由の１つと もなっている．. ２. 個数 (個/ ｢/年). 1-3.

-. １．２．２. 月の資源. １．２．３. 表−１．３は，アポロ計画（アポロ11号∼17号:13号を除く）によって持ち帰られ. 研究の着眼点. １．２．１で述べたような厳しい環境条件の中でコンクリートの製造を行うためには，. た月試料（総量：約380kg）の分析結果の一例を示したものであるl.水素，窒素およ. 現在の地上技術のみならず新しい施工技術を開発する必要がある.J」におけるコンク. び炭素などの有機系の物質が欠乏Ｌていることを除けば，月の岩石は地球のものと大差. リートの施工方法には，表−１．５に示すような２つの方法が考えられる．１つは気密. なく，珪酸（Si02）.アルミナ（A1203），石灰（CaO），鉄（Fe）およびチタン（’n）. 室内部で製造したプレキャストコンクリートを使用する方法であj），他は月面におけ. などを比較的多く含んだ無機系の鉱物から構成されている．. る現場打ち施工である．月の真空環境ではコンクリートの練りまぜ水が逸散しやすい ため，現場打ち施工は技術的に難しいと考えられている．したがって，月開発の最初. 表−１．３. 月資源の酸化物構成3’. の段階では，コンクリートは気密室（工場）内で製造されることになると思われる， ISI. こびこ. Apollo 11. Apollo 14* Apnol5. Apollo 12. 4名.09. Apollol6*. APollo17. 46.68. 45.48. 39､03 ll.94. Si02. 40.46. 44.88. TiO2. 10.41. 3.62. 1.51. I.97. 0.64. A12(}3. 10.08. 8.93. 16.72. 10.21. 25.11. Feo. 19.22. 20.48. 9.53. 19.87. 5.08. 18.82. 7.01. 10.64. 10.18. 8.76. 7.24. 8.54. 11.54. 9.81. 10.67. 10.63. 15.14. 10.82. 0.38. 0.25. 0.73. 0.30. O､45. 0.39. Ｍｇｏ Ｃａｏ. Na幻. 工場の内部では大部分の月環境が遮られるので，地上とほぽ同様の方法でプレキャス トコンクリートを製造することができると考えられる． 表−１．５. 月におけるコンクリートの製造方法. 9.00. 製造方法. 気密室（工場）内 製 造 ・プレキャスト部紡. 七な適用. (壁､はり,柱など). 現場打ち施工 ・基礎マット ・その他. Apoijo14およびAP｡11ol6は角−岩、その他は海の玄武岩について示す。. 製法技術. 以上のような無機系の材料の他に，もっとも大きく期待されている材料として，月面 の砂中に蓄えられているヘリウム3（3He）が挙げられる5）.太陽から飛来する荷電粒子. 汎. 用. 性. ・比較的容易. ・困難. ・地上技術と類似. ・適応性の検討要. 高. い. 非常に高い. に起因した刎eは，大気に覆われた地球にはほとんど存在しないものである．これを重 水素と核融合反応させることによって，莫大なエネルギーを取り出すことができる．し. 表−１．６は，種々のコンクリート作業と月環境の関係を示したものである．前述. かも，現在の原子炉のように中性子を発生することがほとんどないため，安全性も非常. Ｌたように，コンクリートを気密室内部で製造すれば製造時のコンクリートに及ぽす. に高いと言われている．表−１．４は核融合炉に期待されている２つの反応方式を比較. 真空環境の影響はほとんどなくなる．したがって，製造時のコンクりートに及ぼす低. したものである6）.旭eを使用した反応は，発電効率が高く放射性廃棄物の少ないことが. 重力の影響と，供用時のコンクリートに及ぼす月環境の影讐が，検討すべき課題とし. 特長となっている．核融合技術そのものは現在開発中であるが，ウランや化石燃料など. て挙げられる．. に代わる新たなエネルギー資源として期待されている．. 製造時における低重力の影響については，２．４．３で後述するようにそれほど大き な問題にはならないと考えられている．一方，供用時のコンクリートに影響を及ぼす. 核融合反応の比較6）. 表−１．４. 右. ヽ. 七. 燃料入手の可能性. DT*反応. 重水素とトリチウム利用 (地球上に豊富に存在). 発生エネルギーの形態. 高エネルギーの中性子が主. 月環境には，高真空，高温度差，放射線ならびにｍ石などが挙げられる． D3He反応. 3Heは地球上にはほとんどない. 内部の人￨司を保護するためには，それを構造体のみで対処しようとすると非常に密度. 高エネルギーの陽子が主. の高い材料を使用し，また非常に厚い部材（壁や屋根など）を使って構造物を建設し. （80Q）. 放射性珊葉物. 中性子による誘導放射能が問題. DT炉の数％以下. エドレギーの利用方法. 火力・原子力と同様のタービン. 直接発電による709以上の発. による発電. 電効率. もつとも容易. DT反応よりも日ﾃ鼓しい. ’Ｄは重水素〔2HにＴは３重水素りH:トリチウム〕. 機械を苛酷な外環境から保護することにある．厳しい放射線環境や温度環境などから. (宇宙には豊富に存在). （809）. プラズマ閉じ込め容易さ. 月構造物の設計の観点から考えると，構造物の重要な役割の１つは，内部の人間や. なければならない．これは材料の調達から建設に至るまで，すべての工程において不 経済であるといえる．. を示す．. ５. １４.

-. 表−１．６. T犬 材. 料. 練りまぜ 運. 搬. コンクリーﾄ作業に及ぼす月環境の影響 資. 源 高真空 低重力 温度差 放射線 副 石. ○ ○ ○. 養. 生. 脱. 型. ○ ○ ○ ○. 供. 用. ○. 打込み 締固め. 3）材料の練りまぜから成形に至る方法 4）養生方法（環境，期間） ♭）環境因子 1）曝露環境（圧力，温度，期間など）. ○ ○ ○ ○. 本研究ではこれらの因子を考慮して，様々な条件下における数種類の曝露実験を実 施した．ただし，材料の練りまぜから成形に至る方法に関Ｌては，i）特に考慮すべき 成形方法が提案されていないこと，ii）主に月の「低重力環境」の影響を扱う問題であ. ○. ○. ○. ることなどから，本研究の範囲には含めず，本論文における実験においてはいずれも 同一の方法を用いている． 以下に各実験の目的と概要を述べる．. この問題に対するもっとも経済的な解決方法は，構造物を月面下に建設するかある いは構造物をJ」の表土（Regolith）で覆ってしまうことである．これによって，構造材 料自体に作用する放射線や高温度差の影響を大幅に低減できると同時に，月面に飛来 する微小￨肘石をも回避することができる．しかしながら，この場合においても構造物. ａ）実験１：初期材齢における真空曝露の影響 本論文における基礎的実験の位置付けであり，フレッシュモルタルの真空環境下に おける挙動を把握することを目的とした． 試料には水セメント比を変えた２種類のモルタル供試体を使用し，締りまぜ後９時. の建設材料にコンクリートを使用した場合，その物理的性質に及ぼす真空環境の影響. 間までの間に真空環境に曝露して，外観，質量ならびに温度の変化を調べた．また，. は避けられないと考えられる．. 真空度（環境圧力）を変化させてその影響を把握するとともに，実験２以降の研究に. 以￨ｪのことから本研究では，真空環境への曝露に伴うモルタルやコンクリートの基 礎的性質の変化ならびにその変化機構を把握することを目的とした．. おける真空度を選定した． ｂ）実験２：長期的に真空曝露したモルタルの基礎的性質 モルタルを真空環境に曝露するまでの適切な養生期間，ならびに長期的に真空曝露. １．２．４. したモルタルの基礎的性質の変化などに着目した実験である．. 研究概要. 所定の期間（１日∼28日）20℃の水中で前養牛.を行ったモルタル供試体を，その 真空環境下でモルタルやコンクリートを使用する場合にもっとも問題となる現象は， これらからの水分の逸散である．水分の逸散により，セメント系硬化体の組織構造は 変化し，その結果，モルタルやコンクリートの諸性質に少なからぬ影響を与えること が予測される．･一方，真空環境下でなくても，モルタルやコンクリートは時間（材齢）. 後最長材飴364日まで真空環境へ曝露Ｌ，質量の変化，長さの変化，圧縮および曲げ 強度，残存水分量，ならびに細孔構造などの基礎的性質を調べた． ｃ）実験３：モルタルの基礎的性質に及ぼす曝露環境の影響 モルタルの曝露環境が，基礎的性質の変化に及ぼす影響をとらえることを目的とし. とともに組織構造が変化する．したがって，セメント系硬化体の基礎的性質に及ぽす. た実験である．曝露環境として，真空曝霧中の温度を変化させた場合ならびに種々の. 真.空環境の影響をとらえるためには，ある時間断面についてのみ論じたのでは不十分. 乾燥方法を適用した場合について検討した．温度を変化させた実験は，使用時のコン. であり，真空環境に曝露される時のモルタルやコンクリートの状態（水和の程度およ. クリートが様々な温度環境に置かれる可能性のあることを想定したものである．また，. び使用材料の種類）を考慮する必要があると考えられる．さらに，真空曝露固有の影. 乾燥方法を変化させた実験は，真空曝露による供試体の乾燥機構.と他の方法による乾. 讐を把握するためには，真空以外の乾燥環境の影響に関する検討も必要と思われる.. 燥機構との違いを調べ，真空曝露の特徴を把握することを目的とした実験である．乾. 「真空曝露」という５条件に対し，その影響を把握する指標として長さ変化率や強 度などの変化（ここでは「性質変化」と称する）をとらえる方法が，１つのアプロー 子として考えられる．この「真空曝露」と「性質変化」との関係には，以下に示す様々 な因子が介在しており，両者の関係に少なからぬ影響を与えると考えられる．. 燥方法としては，i）水中養生を行った後，強度試験直前に24時間110℃で乾燥，ii）継 続的に気中で乾燥，ならびにiii）継続的に110°Cで乾燥，の３種類を設定した． 所定の期間（１日∼28日）20℃の水中で前養生を行ったモルタル供試体をその 後種々の環境に曝露し，最長材齢182. Hまでの圧縮および曲げ強度ならびに質量の変. 化を測定した．これらの結果を実験２の結果と比較した． ａ）伺料因子. ｄ）実験４：長期的に真空曝露したコンクリートの基礎的性質. 1）使用材料 2）配. 長期的に真空環境に曝露したコンクリートの挙動をモルタルの場合と比較するため. 合. に，コンクリート供試体を使用して実験２と同様の実験を行った．. 1-6. 1-7.

-. 所定の期間（１日∼28日）20℃の水中で前養生を行ったコンクリート供試体をそ 第２章. の後真空環境に曝露し，最長材齢182日までの質量の変化，長さの変化，圧縮および. 研究の背景. 引張強度ならびにヤング係数などを調べた． ｅ）実験５：真空曝露したモルタルおよびコンクリートの基礎的性質に及ぼす. ２．１. 最近の宇宙開発動向. セメントおよび混和材料の影響 宇UI‘￨訃苑分野において世界の主導楠を掬ってきたアメリカと￨. 使用するセメントや混和材料の種類の相違が，真空環境に曝露したモルタルやコン. ﾒﾉ連同性I‘開発に関. しては現在のロシア共和国に対応する)は，近年の東西緊張緩和に加え，それぞれの. クリートの基礎的性質に与える影響をとらえることを目的とした実験である．特にこ. 国内経済の早急な立て直しを迫られている．それゆえ，IIliJ者が60年代に演じたような. こでは，真空曝露によってモルタルやコンクリートは顕著な収縮を示すことから，こ. 熾烈な宇宙開発競争は完全に過去のものとなった．当時=は，浦が最初に人類未踏の地. れを低減する手法の一つとして，材料的な観点からの検討を行った．. へ到達するかが国力を世界に誇示するための重要な要素であｰ)たがに近年の宇i附則発. 種々のセメントおよび混和材料を使用して作製した供試体について，実験２ならび. は，商業利用を主￨裂とした市場の拡大へとその￨≡l標を大きく変えつつある．. に実験４と同様の実験を実施Ｌ，真空環境に曝露したモルタルおよびコンクリートの. レーガン元アメリカ大統領は，1988年３月にアメリカ航空宇‘岫i(NΛsA)の提案. 基礎的性質に及ぽす材料の影響を調べた．. する月面基地計画を，国家の宇宙政策の１つとして本格的に進めていくことを明らか. 以上の実験の概要を図一１．１にまとめる．. にした．さらに1989年７月には，ブッシュ元大統領がアポロ20周年を記念した講演 を行い，アメリカが再び月を￨ｦ￨指し，そこに居住する計画を進める方針を表明した． 使 用 材 料 実験１ ：初期材齢における真空曝露の影響 (３章). 曝露材齢 開始. 』. 不. 実験３ ：モルタルの基礎的性質に及ぼす曝 （５童） 露環境の影響. 水 中. レ⑤ レ. 一 気中. 変. 実験４ ：長期的に真空曝露したコンクリー （６章） トの基礎的性質. -. 実験５ ：真空曝露したモルタルおよびコン （フ章） クリートの基礎的性質に及ばすセ メントおよび混和材料の影響. 炉. ∩. 変 化. ｜. リ ｜ ト. 主. な. 終了 測定項目. 腸 ￨ﾑ. 真 空. 実験２ ：長期的に真空曝露したモルタルの （４章） 基礎的性質. 図一１．１. 供 試 体. 当時のクェール米副大統領を会長とするアメリカ国家宇jlil‘評議会[Nationa]Space. 曝 露 環 境. 紆ド. ぼ:. Councjl)では，NASAから提出された５つの月・火星探査計画案の評価をf｣≒た￣"．図一 ２．１に，この時提出された計曲i案の一例を示す．. 2000. 費争. 強度. ひ ず み 強度. 2010. 2015. 2020. 月基地設置. -. 質 細孔 量. 2005. ドV. ア Ｘ 人 類 月 再 到 達. 恒 久 滞 在 開 始. 基地拡張 Ｆ 基地活動. 費費 ７. 月 に お け る 建 設 活 動. ●争. Ｔ. ８ 人 滞 在. 酸 素 の 現 地 製 造. 実験の概要 図一2.1. ス. 月 の 裏 側 探 査. 良星基地設置￨. 争 ？. 人 類 火 星 到 達. 雫. け呂. ？ 長 期 濯･ 在 開 始 一. NASAが提案した月・火星探査計画（Ａ案）7’. これらの案は残念ながら，開発時期ならびに予算の両面において評議会から見凶TL を迫られることになったが，おおまかな開発シナリオは，クリントン大統領となった 現在においても変わっていない． このシナリオでは，まず地球の低軌道上（高度約5ookm）に宇宙ステーシ;ョンを 建設し，その接の宇宙開発に要求される技術や，地上で利jl」できる新しい材料などに. ８. 2，.

￨詞す副詞発硝7究がここで行われる．宇山ステーションの建設とならんで月に無人の探. アメリカ議会が十分な予勿Tを認めることは難しく，アメリカのj. ずIｼﾞ幾が送られ｡様々な観測を始め将来Jjで利用吋能な資源の選定，その存在位置およ. せざるを得ない状況に追い込まれている．. びiliの調を，ならびに資源の加工方法の検討などが行われる。こうして得られた情報 をもとに. その後，選定された場所に建設資材が運び込まれ，仮設的なJj基地が建設. j i収発は規模を縮小. 上記の状況下において日本の経済力が注ljされていることは事実であり，他の産業 と同様に宇宙開発の分野においても，今後様々な形態で日本に協力が要請されること. される．図一２．２は，この段階における基地の構想を示したものである゛1.その後，こ. は必至な状況である．ただし，日本としても単なる経済的参入に留まることは望まし. れらの研究活動の充実に伴って，基地構お物やその機能ならびに活動領域が拡大され，. くないと考えており，科呼収術庁・宇宙￨朔発事業団(NASDA)，航空宇宙技術研究所，. 本格的なL｣での居住が開始される．この時期の基地構造物の建設には，多くの月資源. 文部省・宇宙科学研究所などを中心に独自の開発を進めている.NASDAでは既に，純. が使われるようになる．. 国産の打ち上げロケットH-IIの開発を終了し，国際的な打ち上げ市場に参入し始めて い乙．また宇宙科学研究所は，月軌道上に無人の探査衛星を打ちトげ，j｣の地質デー タを入手している. J｣基地に￨調しては，｢月面基地と月資源開発研究会｣が1990年に報告=書をまとめ ている‘)'．この研究会は，全体システム一計画構想分科会，月資源工場システム分科会，. 需!r’. 之ｺﾞﾀﾞ犬ご￢。 kJj=f/ ●. エネルギー・D3He核融合分科会ならびに火星分科会などから構成され，￨周連各省庁を. ｿと塾・.心ぶＳ邑ii ’･-l 一一 W. 始め学界や産業界から多数の制Jlj家が参力[1している．基本的なF]基地開発シナリオは NASAのものと大きな相違はないが，基地を構成する個々のシステムに￨掘する詳細な. 4j. 検討がなされている． その後1994年には，月・惑星協会が，人間が滞在できるJ｣基地を無人で建設する 構想をまとめた．これは1999年から無人探査を開始し，2023年までに基地を完成させ るという計il!Liである.HJIロケットの打ちJJ.げ成功を機に，月￨=副弛における￨￣￨本の独 自性を示す計画として期待されている．. 図一２．２. 初期の月基地sl. JD,い￨収）自律ﾔ「が高まるとともに，本格的な火4i￣y探査が開始される．火摺.探査に必 ･堤な物資の多くはル削原ならびにその加工IWIとして月基地から供給されるが，火星に j,IJI!が建設される頃には，地球・月・火星を結ぶ物流システムが形成され，資源の有 幼利川が￨頚られるようになる． 十,氾はも札ろん. ．-）のンナリオであるが，その第一一歩として，NASAでは既に片面. における無人の科学探査計･IIIJi（ディスカバリづ汁困卜溝想（1994年）を打ち出してい る.･.方欧州では，これまで衛星打ちトげなどのビジネスを玉体に宇宙開発を進めて きたが，今後主流となる大明ロケノト（アリアンＶ）の利川に￨祠辿して，1994年に￨攻 片片I梢幾関（ESA. : Eul･opean Space Agellcy）独自の月￨則発計lilliを打ち出した．その基本. 的なシナリオはNASAのものと大きく変わらないものの，技術力および国際協力にお ける実絹をｲ」士でいるESAの構想は，比較的実現性が高いと考えられている． 以トのシナリオにおいて現在，アメリカ航空宇宙局（NASA），カナダ’，欧州宇宙 機関（ESA）ならびに目本の４者が共同で国際宇宙ステーション（Sp. ace Slatiorl）の開. 免を進めているレ前述したように．ここでの研究成果はいわゆるスピン・オフ技術と して」飢上における様々な技術革新に貢献すると期待されているが，それが実際に評価 されるのはまだ完の段階である．国民の生活に直結した多くの課題を抱えた現状では，. 2-2. 2-3.

（２）軌道上の構造物 ２．２. 宇宙開発と建設. 軌道上の構造物に関しては，宇宙の￨肖業利J=￨=」を目的とした様々な積怨が提案されて いる．例えば，無重量環境を利用Ｌか実験施設や工場，」也球に・力を送る太」場発電衛. ２，２．１. 星（図一２．４ドI’，観光を目的とする宇宙ホテルなどが挙げられる．. 宇宙開発と建設の関わり. これらの軌道上構造物はいずれも規模が大きく，建設に人力（宇jl拍汲を着用した人 'j1まiご乙.7)j"lilj,:Jijづ色1まﾉ，￨:iflJJIIIが｡iｲjヽびあIJ，q勿J!￨!";゛:，iR:j. lﾐj'?･なりバ♪Cj!ljSt4｡MI:j'j‘:. などがりレなって進められて来た．しかしながらレ前述のように人類が地球外で居. 問が組立作業を行うこと）を多用するとは考えられず，現実的には高度なロボット技 術あるいはテレ・オペレーション（遠隔操ｲ帽技術が必要となる．これらの技術は，. ｲl浦るい出渠在する段階となると，ll記の技術に加え，資源，化学，岩能地質，村. 将来的な池上の施工にも必要とされる技術であることは間違いない．. 社厦胤心坦.∠建設などに関連した多くの分野の技術が要求剖Lる．. 傷心物ないし施設横.築における主な￨儲設丿対象物としては，治子.の構造物，軌道 の構.即吻，および･J]や火犀.などの他天体上の横溢物などが挙げられる.lj,'ﾄﾞに，こ ねらの構芯物の概要とそこに必要とされる施工技術について述べる． (１)地上の構造物 恰後￨の宇宙開発では，従'前とは比較にならないほど多くの人や物資が｣也球と宇宙を 往,さ索するため．これに対応して地上には宇宙港が建設されると考えられる．図一２． ３に小すよろな現在の椙･想では，宇宙港の建設は空港．ホテル，各種貯蔵施設，宇宙 磯読射施設などの輸送・交通網が整悒された大規模な開発事業になるものとＦ想され るllll. 現状では拓体的な立｣=[h条件は不明確であ肌. どのような施工技術が必要とされるか. は不明である．海洋十.木や舗装など，基本的には既存の施工技術によって対応するこ とが11｣･能と考えられる． 図一２．４. 太陽発電衛星構想1. 1j. (３)月・火星上の構造物. lie乙∠｣。，士" J)∼l=こ. J｣や火yllでは地面の十あるいは下に構造物を建設することから，．脱在ﾄﾞ流とな,って いる軌道上の構造物に比べ，より多くのＢ築土木的･肪丿悟含んでいる．琴くの感泣系 網￨ﾄﾞJ,昌脱穀が寸対価)馴洲･九て皿斜火い,!;州=II･I?j114r4ii5Cf-Cしヽる ｣叩￨11はここにある. Jj. レIJi'･など，油土.の建設作業とL‥1じと考ｽﾞ_てよい．しかしながら，これらの作業を実現. へ ーべ. ｊ−Ｊ ９. r｀･ ・ 浅. ・火星ﾄ.の横雲物の建改作聚｣珀￨は，土'￨……･Ji'･，私礎工事，建屋｢事．その他付帯. するためには，以ドのようなJjや火311.の特殊性を考慮しなければならない．. ●. ａ)地球からの距咀 1)人や物資を頻繁にかつ大量に運ぶことは，労力的にも経済的にも困難と なる．したがって建設作業にはに科学観測などの多くの任務を負った少 数の科学者が従事することになる. 2)どのような建設資材をどの程度必要とするか，事￨迫に十分検討する必要. 図一２．３. 宇宙基地構想loj. がある．地球からの資材の調達は困彊となるため，拡張段階の基地積造. 2-5 2-4.



以上のように，「地球外資源の利用］は宇宙開発の目的であり，また手段にもなっ 用」という課題に対する1つの検討ｱﾌﾟﾛｰﾁとして始められたという背景がある．. 二]二言ザニエニ言ﾌﾟ二言諮. 2.1に述べた現在の宇宙開発シナリオと月の資源を中心とする材料技術との関係. ｻﾌﾞｿﾞ原であり’月や火星’あるいは小惑星などに含まれる様々な鉱物や元素がこれに 尚ｽﾑｽﾞﾚ. 資源の利用には,大きく2つの意義があると考えられる.1つは「地球外. に二でΛｽﾞﾌﾞｽﾞﾌﾞjﾌﾞふに利用できるシステムが完成するまでは，月における様々な活動は基 本的には地球から運搬される材料によって支援される．これらの材料は，基地そのも. で図川が,現在あるいは将来人類が抱えるであろう様々な問題を解決するふ要な役目 を果たすと期待されていることである．廃棄物を資源として再利用することは 現在 の我々に課せられた重要な課題である．しかしながら，人□が増加し人々の言お が向上することによって,地球全体としての物資の消費量が増大すると 千言二子ﾆづﾉﾙ土匹土. のの構造材料やその内部の生活に必要な酸素や炭素あるいは水などである． 月で使用される材料の種類には，月の開発段階すなわち地球と月の問の輸送能力や. 宇宙活動の規模などが影響する．材料の製造方法やその適用方法など，基礎的な技術. 限られた地. 課題については2.4.2に後述するように既に多くの検討が行われているが,これらの 二二二三二⊇言三言子 こ. 二⊇二二千二ﾚ二二言匹. 二言三三⊇言言二三白. 貼に岡や火星から資源を運んでくるだけでは,根本的な解決にならない.地球には. ればならない．. ｼZﾄﾞﾌﾞ万万￨か￨､j/筒元ﾊﾞ忿;百J･7で. 1φ､jﾑ’弓=゛串陥斤斤も111 yり-゛に11Tm七z’し哨゛Jnlr −｀-/y七Jﾒ、 7 lj四iJ7べ 卜之-4 / IJjj かつ効果的である．現在もっとも期待されている「地球外資源」は，月面の砂に蓄え. ‘. こべ. られている刎e（ヘリウム３）である５）．１．２．１で述べたように，3Heは大気に覆われ. 地 球 資 源 利 用 段 階. た地球にはほとんど存在しない.3Heを重水素と核融合反応させることによって，莫大 なエネルギーを取り出すことができる．しかも，現在の原子炉のように中性子を発生 することがないため，安全性も非常に高いと言われている．核融合技術そのものは現 行開発中であるが，ウランや化石燃料などに代わる新たなエネルギー資源として期待 されている.. 地. ＬＥＯ゛. 球. 月基地. 月軌道. -．＿. １. -. Ｏ ２. ３. ⇔-. ⇔-. ⇔-. ４. 生 産 活 動 開 始. -− -− -.＿ -. ・.＿. -−. -. -. U也球外資源」を利用する他の理由はその経済性にある．宇宙で様々な活動を行う 月 資 源 利 用 段 階. ためには，多くの物資が必要となる．当面これらの物資はすべて地球から運搬するこ とになるが，それを運ぶロケットや燃料，さらには打ち上げの支援などには莫大な費 用が必要となる．現住，宇宙で使用される物資の値段は金（ゴールド）の十倍高いと にわれている． この対策としては，t地球外で使うものは. なるべく珀法外に在るものか利ｍす乙. こと｜である．例えば，地球から工場を運搬し，現地（例えば月や火星）で｀得た原材 二三二三二言二∧琴爪二二言証言で 図一２．５ 宇宙活動における原料・製品の流れ. --＿. --. 心-. ６. ７. 2-9. 竹. -．＿. ⇔-. -．＿. ←. 一−−. ⇔. -●囃一一一擲･･･. --. ⇔ -. ’LEO:Lo゛. このような方策がかなりのコスト低減に結び付くと考えられる.. 2-8. ５. 生 産 活 動 開 始. E8dh Orbit（低地球軌道）.

第１段階では，LEO（Low. Earlhorbit : 低地球軌道／地上500krn程度まで）上の活. 動は地球で生産された材料や製品によってまかなわれる．第２段階になると，LEO上. ２．４. 既往の研究. においても生産活動が開始され，製品の一部は地球に持ち帰られて利用される．第３ 段階では，地上やLEO上で組み立てられた製品が，月軌道上の探査衛星などの組立て. ２．４．１. 概. 論. に適用される．月開発の初期（第４）段階では，月で使用されるすべての材料は地球 やLEO基地から持ち込まれたものとなる．これは，NASAのシナリオにおける「仮設. 本研究は，図一２．６に示すように「宇宙材料の利用」（宇宙材料工学，アメリカ. 基地」の建設段階に相当している．月基地の自律化（第５）段階では，月面の放射線. ではlndigenous. Space Resoljrceutilizalion: ISRU，あるいはln-Space. Malerialutilization:. や熱から基地を保護するための遮蔽材ならびに基地のライフサポートシステムに必要. ISMUなどと呼ばれている）の中の「月資源利用」と，「コンクリートエ学」との境界. な酸素の製造などが行われる．その生産規模は次第に拡大され，研究レベルから工場. 領域に位置している．本論文では，関連した既往の研究として以下の分野について記. レベルヘと移行していく．第６段階になると，金属製の構造部材や工具，コンクリー. 述する．. ト裂品，セラミックス，あるいは半導体などが月で生産される．これらの材料の生産 能力を向上させるためには，地球と月の間の輸送システムを充実させることが必要不 可欠な条件であるが，月で生産される酸素は宇宙機の燃料としても使用されるため， この輸送システムは加速度的に発達することになる．その結果，月で生産される材料 や製品の一部は月軌道上あるいはLEO基地などで利用されるようになる． 第７段階では，月で採取された資源の一部が加工あるいはそのままの状態で搬出さ れ，月軌道上やLEO基地で製品化される．例えば珪素は月で抽出・精練され，LEO上 で太陽電池パネルなどに加工される．この段階になると，地球および月の資源は市場 に応にてもっとも経済的な方法で利用される．この時期までに技術的ならびに社会的 な問罰が解決できれば，月面の3Heは地球に運搬されて核融合発電に使用される． 高度に自律化した月基地は次の開発目標のための前哨基地となる．例えば，火星へ の有人飛行はこれよりも少し早い段階に開始されると思われるが，火星に建設される. 図一２．６. 既往の関連研究における本研究の位置付け. 構一造物の資材の一部は，月から供給される可能性が高い．. （１）月資源の利用に関する研究 ２．３で述べたように，本研究は「地球外資源の利用」を対象とした広範な研究の 一部分を構成するものである．様々な資源の利用方法におけるコンクリートの位置付 けを明確にするために，「地球外資源」の１つであるけj資源」の利用について，既 往の研究をまとめる（２．４．２）． （２）月コンクリートに関する研究 前項の「月資源利用」からさらに「月コンクリート」に対象を絞り，既往の研究を まとめる（２．４．３）． （３）乾燥に関する研究 真空環境は圧力（仝圧）がゼロの状態であり，したがってその水魚気分圧もゼロと なる．液体である水の気化現象は，水の蒸気圧と周囲環境の水蒸気分圧との関係で決 まるため，水の蒸発に着目した場合には，真空環境は極端な乾燥環境と考えられる． 以上のことから，本研究にもっとも関連の強い研究テーマとしてF乾燥」を取り上 げ，既往の研究をまとめる（２．４．４）．. 2-10. 2-11.

コンクリートの乾燥に関しては，以下のように２つに分類して記述する．１つは乾 燥収縮の機構に関するもの，他は乾燥がコンクリートの諸特性に及ぼす影響に関する. 料としてよりは，むしろ様々な「道具」としての利用価値が高いと考えられる． 各種の金属は月の鉱物から抽出される．月の鉱物は大部分が酸化物となっており， 金属を抽出するためにはこれらの鉱物を還元する必要がある．これは鉄鉱石から鉄を. ものである． 乾燥収縮の機構に関しては，i)実験的研究とii)解析的研究がある.i)については，. 取り出す工程と同様である．取り出した金属は鋳物と同様の方法で製品化されるが，. 乾燥収縮機構ならびに収縮に影響を及ぼす要因を把握するための実験検討を行ったも. この時に精練の程度や各種金属の混合比などを変化させることにより，品質の制御さ. のがあり，ii)に関しては，材料内部の水の移動現象ならびにそれと収縮との関係を把. れた様々な種類の合金を造ることも可能となる．ただし，金属材料は一般に比較的複. 捉するために，実験データを一部に適用した拡散方程式による解析検討を行ったもの. 雑な製造設備を必要とするほか，その特性上断熱材などにはあまり適Ｌていない．し. がある．. たがって，これらは各種のケーブルや建設機械の一部，あるいはコンクリートの補強. コンクリートの諸特性に及ぼす乾燥の影響に関しては，強度特性などについて検討. 材などとして使用される． コンクリートなどのセメント系材料は，基本的にはセメント，水および骨材を混合. したものが多い．. して型わくに打込み，適度な養生を施したものである．水を作るために必要な水素以 ２．４．２以降に各分野における研究の現状を述べる．. 外の原材料はすべて月資源から調達できるほか．調配合を変えることによって目的に 応じた様々な品質を得ることができる．したがって，セメント系材料は地上と同様に. ２．４．２. 多種多様な構造物に適用できると期待されている．. 月資源利用に関する研究. （ｎ月資源から得られる材料. 表−２．１. 月資源から得られる材料17). 月資源を様々な方法で加工すると，月基地や宇宙ステーシｇンなどの活動に有用な 材料が得られる．表−２．１は，既往の研究17】-l］1をもとにこれらの材料についてまとめ たものである． 各材料について以下に解説する． ａ）構造材料 これまで様々な種類の月基地が提案されているが，これらの基地構造物に使用され る材料はその建設時期や構造形式などに応じて異なっている燃構造材料には，表中に 示した各種の金属，ガラス，セラミックスおよびセメントなどに加え，特別な加工を 旅さないレゴリスけ=j面を覆っている砂）や岩石を利用する方法なども提案されてい る． 未加工のレゴリス（月の表土）や岩石は，例えばこれらを掘削，盛土して構造物の 一一一部とすることができる．クレーターの側壁を掘削してできた空洞や，ラバーチュー ブと呼ばれる天然の溶岩洞穴などは，物資の貯蔵庫に利用できると期待されている221. ガラスは，月の砂や石を加熱して溶かして型わくに流し込んだり糸状に延ばしたり した後，冷却固化させたものである．その品質は原料の成分や温度履歴などに大きく 影響され，これらを適切に制御すれば品質の高いものを造ることもできる．ただし， 千数百℃の溶融状態から冷却するため，製品内部に温度ひずみが発生じゃすく，あま いj’法の大きな部材を造ることは難Ｌい．これらは，熱遮蔽用の壁や月面舗装用のブ ロック材，あるいはコンクリートその他の補強材などとして利用される． セラミックスは，月資源を細かく粉砕し，加圧成形したものを焼結して造る．原材 料の成分調整や工程管理を十分行えば，非常に高い強度や硬度を得ることができる． 特に，月の真空環境は焼結工程において有効と考えられる．ただＬ，これも鋳物など と印にように，その工程上寸法の大きなものを造ることは難しい．したがって構造材. 2-12. 2-13. 2o).

以上のように，月構造物の建設材料として現在様々なものが考えられている．将来. 的には，これらの材料のいずれか１つのみが枕梢きれ心口」飽託は数い．谷珂料ば，七 れぞれ固有の特性に適した用途において使われるべきである．例えば，ガラスや金属 で補強されたコンクリート構造物をレゴリスの断熱材で覆う，という利用法も考えら. 表−２．２ 利. 材料乞. 酸素. ｂ）特種機能材料 金属材料，セラミックスおよびコンクリートなどの製造は，型わく成形が主要な加 工工作である．しかしながらそれだけでは製品の精密な加工を行うことはできず，次 工程として切削加工が必要となる．チタンやクロムを含んだセラミックスは，このよ うな工程における切削工具として有用な材料と考えられる．またセラミックスは断熱 甘利痩しても優れた材料となり得る． ｃ）電子材料 電子材料は，月基地や宇宙基地には不可欠な材料である．設備さえ整えば，マイク ロチップのような精密加工品をこれらの基地で造ることが可能と考えられる．また，. セラミックス. 鉄. ｱﾙにｳﾑ. 射線性能を向上させたいわゆるエンジニアリングプラスチックなども開発されており， 当面は地球からこのような材料を運搬する必要があると思われる．接着剤やコーティ ング材料としては，シリコンポリマーのような無機系材料を多く含んだ高分子材料の 利用が効果的と考えられる已. 2哨. ・金属工場から排出されるCOを利用. 2剥. ｅ）その他 有機材料を含む数種の元素は，生命維持システムや各種材料の製造工程に欠かせな いものである．特に，宇宙機の燃料や人間の呼吸に使用される酸素は非常に重要であ. ・断熱. 考料. ・絶縁. t料. ・溶解Sill・lesの急速冷却. ・Pyroxencl(Mg.Fc､Ca)SiO､･]. ・鉄分の選別採取および粉体僥結. ・Rcﾇolith（FeおよひNi-Fe化合物）. ・H.HC,CIなどによるllmenile の還元. ・11menite（FeTiOり（Ｈ､ＨＣ,ＣＩが必要）. ・Carbonvl法. ・月の土石（ＣとＨが必要）. がい､ﾅｯﾄ､ｹｰｱﾙ､ｱﾚｰﾄ など）. ・電子材判 ・構造. ｵ科. ・耐磨. 毛材利. ・導電. ｵ料 ４科. ・合金. 七ﾗﾐｯﾘ，ｾﾒ勁 り構成成分. ・がﾗｽおよびｾﾗﾐﾊﾞｽの 構成成分. セメン・ ・構造材利ﾊﾞｺﾝｸﾄヽ/ﾓいﾙ. のﾌﾚｰﾑや壁） 一新教材利 ・放射侭遮蔽材利 ・人工岩盤／基礎 ・接着剤 ・構造 ｾﾗﾐｯ. ・HF. acid leach 法（ＮａＯＨ処理）. どの ・充電 ご糾曾. ・Ti-Sillcales. ・Re9olith（H.F.Nが必要）. Alcoa電気分解法. 145.､IS｝. 191,『. 柘）17 18),38) 1哨. ・Anorlhile(CaAI2S120り おいて地球から運ぶ必要がある). 3りy. フッソ処理）. ・011vineのSlhcothcnic還元. ・01ivme【(Mg､Fc);Si{)4]. 27｝. (CaOおよびSiはAnorthileを処理 する際に得られる〉. ・HFacidleach法. ・01,vlne（H､F,Nが必要）. ￨り 2乃. ・CarbochlorlnalionおよびCa還元 ・11mcnllc（FCTiO･）（C､CI.日が必要）. 2(ll. ・ＨおよびCaH2によるllmenitc の還元、ならびにＨＣ目each 〔セメント〕 ・分留法 〔水〕 ・11meniteの水素還元 〔骨材〕 ・破砕およびふるい分け. ’Anorlhile（CaA12S1200. ・Anorthltcのｱﾙﾐﾆｳﾑ還元. ぶり 41） 4剥 ４り. リjmcnltc(FCTiO･)(Hが必要) 付jの有および砂 26｝44. ・Anonhitc(CaA12Sほ)り. ・HFacldjeach法（ＮａＯＨ処理.J. ・セラミックス材杓. ‘Am)rlhlle(CaA12S120り. ・杉獅合作･瓦. ・Cr､Mn.Zr､Vなど ・Ｚｒ,Ｖ．Ｙなど ・Ｃｒｘ)１、ＭｎＯ､ＫＸ)､ＮａｺＯなど. ・Ｎｊ)､Ｋ､Ｃ．Ｈなど. 卯鉄分孵. 以ﾚ.に述べた各種材料の製造方法については，多くの提案がなされている．これら の契造方法を表−２．２にまとめる.. 2-15. J哨. (H.F､Nが必要). ・その他化学反応剤. 2-14. 3冽. (C.CI.H､F､Nなどは、初期段階に ・HFacldleach法（Anorthilcの. む材刹. 徽少量 元素 ・農業 1He. Ｊ)) ３目 32} 33}. 苛成成分） リオ杓. 一分金材料. （２）月資源の加工方法. 2り 29）. 27｝. ・Carb。chlorinalionおよび. ｵ科（合金、力づ又， 7､，およひｾﾒﾍﾞな. 241.ご. ・011vlne[(Mg､FekSiz04】. ・構造材利（梁，ロッド、. ・ガラス構成成分. シリコン. ・Anorthite(C以12Si200. ・溶解Si】icatesの緩速冷却. ・合金材料 忖ごｳﾑ ・高硬度材利･. ｺﾝ問乙. (Ti02.SiO:､Fe0.AIX)lなと∩. ・構造 ｵ料（煉瓦，床板 など. ・構造甘利. ることから，最初にJjで製造される材料は酸素であると考えられる．月で製造した酸 士を軌遣悶輸送機などの燃料として使うことにより，宇寅輸送システムが飛躍的に発 達すると期待される．. ・酸化物. ・気組熱分解. 考料（繊維.. 一合金村判 ・導電材料. および. 文献. ・Anonhlte(CaAhSi200. ・構造材利. 川にはいわゆる有機系の材料がほとんど存在していないため，地上で一般的に使わ. 物. ・COから抽出. なと. マゲれウム. 鉱. 方法. ・ Anorlh,leのアルミ還元. ・力づｽ. 易に月で製造できると思われる． ｄ）接着およびコーティング材料. 工. 一生命維持システムに おける呼吸用. ・工具. 合金. 加. ・11mcnite(FeTIOI). y-ヤ ，布，ﾜｲﾔｰなど）. および. ケーブル，太陽電池，磁石ならびに各種の加工工程に使われる電極などは，比較的容. れている接着剤を月で作ることは難しい．またこれらの有機系材料は放射線によって 劣化しやすい性質があるため，宇宙での使用にはあまり適していない．最近では耐放. 法. 46). ・llmeniteの水素還元. ・構造 ガラス. 方. 20),24). ・液体燃料. ’燃柄電池や金属の製 造過程における化学 反応剤. れる．月における材料加工技術の発展状況に応じて使われる材料は当然異なるが，い ずれの材料も何らかの形で月構造物の建設に使われることは間違いないと思われる．. 甲. 月資源の加工方法5),18). ・Regolilh. IS） Z山 4励 46j.



♭）水 コンクリートの硬化に不可欠な水は，月ではその存在が確認されていない．したがっ て，水は月で酸素と水素を合成して作る１とになる．表−１．１に示したように，月資. 引き起こされる．反応によｰダこ生成した水（水蒸気）は，酸素を製造する場合には電 気分解装置に送られ，また水を製造する場合には凝縮装置に送られる． 反応炉の設計に必要なデータをとらえるため，現在までに２種偕1の実験が行われて. 源には水の製造に必要な酸素が多量に含まれており，質量比にして酸素は月資源の約. いる．１つは月試料の還元反応特性に関する実験であり，他は月面重力における流動. 4o％を占めている．一方，水素は月面に存在しているものの，その量はlooppm以下と. jSの挙動に関する実験である．. 非常に微量である31 . したがって，現実的には地球から水素を運搬する必要があると考 えられる．. 月試料の還元実験では，アポロ17り･が月から持ち帰った本物の試料10gを使用し， それを水素で還元した．その結果，月試料から水を生成することに成功し，提案した. 水の製造には，イルメナイトを水素で還元する方法がもっとも適していると考えら れている．イルメナイト（11menite. : FeTiO3）はチタン鉄鉱とも呼ばれており，月の海. の部分に比較的多く分布する鉱物である．還元反応は次式で表される．. 反応系による水製造の可能性を見い出した． 流動隔実験は，月㈲重力環境でイルメナイト粒了･が理想的な流動唱を形成するため の条件をとらえることを目的としたものである．月面重力環境を作るために.NASA が保有するKC-】35と呼ばれる実験用の飛行機を使用し，これに二次孔の流動崩一実験装. FeTiO3 11menite. 十. H2. 水素. 一. Ti02. 十. Fe 鉄. チタニア. 十. Ｈ２０ 水. 賀を搭載して種々のデータを測定した．写真−２．１に機内の実験風景を小才已 これらのデータは，コンピュータ反応モデルに掴み込まれ，川駿素／水工場の･設計 に役,」ﾉﾐてられる．. これは本来，月で酸素を製造する方法として提案されたものであり，現在筆者らに よってその開発が進められている55)j61. 図一２．８は，月酸素製造工場の基本システムを示したものである．反応炉は３段 の流動庖から構成されている．流動層は，固体と気体とを効率良く反応させるために， 固体粒子層のﾄﾞ部からガスを吹き込んで粒子を撹抑させる機構となっている． イルメナイト. スタンドパイプ. 図一２．８. 写真−２．１. 月酸素／水製造システム56）. イルメナイトを多く含んだ原材料はまず上段の流動届に投入され，内部のスタンド パイプを通って順次下段の層へと送られる．一方水素ガスは反応炉内を下から上に向 かって流れ，固体材料を流動化（固体とガスを混合）させる．上段では，反応炉から の熱い水素ガスによって固体材料が予備加熱され，下段では遂に反応後の材料によっ て水素ガスが予備加熱される．還元反応は中段の層を約千℃に加熱することによって. 2-18. 配置. 材. KC-135機内の流動層実験状況55j. ，. コンクリート用の骨材は，月の11;や砂を飢工することによって比較的容易に製造す ることが可能である．月表面を覆っているレゴリスの比重は概ね2.6以上であり，ま たその粒度分布は図一２．９に示すとおりとなっている犬上質的にはいわゆるシルトと 砂の中間に位置する粒度でに通￨･コンクリートに使用している細骨材よりは絹かい．. 2-19.

−. Ｊ’. ｉ. LX八ﾉ. ／ 絹刊巾 標埠粒度範囲. 80. ／. 詞-. S回I ;Ξ￨ 二 4() 嶮 20. ／. ／ こyl ／. ／ ７. 月面の賎しい環境，特に真空や高温度差などの環境では，コンクリートのみならず その製造に必要な各種の機械類にも特殊な機能が要求される．このため，１．２．２で述. ／. ／. ／. ／. ａ）与圧環境における製造. ／. ／. ／ ／. べたように，初期の月コンクリートは与圧環境で製造される可能性が高い．. ／. 与圧環境におけるコンクリートの製造方法として，図一2.10に示す方法が筆者に. ／. レゴ⊃. ｊｌ∼ゝエノ，ごユ1ヾ｀/iil,‘ﾍﾞｰ灸ツ. （２）コンクリート製品の製造. ﾌﾔTT. ／つ. 60. 兄／ /. UΛSS5・上本学辻. て. :∧:上上o. ●“. ＆. 1.回､し/-ﾌﾏけ口jφヽ↓刄pJ″乙ｸﾞヽ｀゛‘. よって提案されている已. /. ｻﾚ. ﾌﾞ二 ]]]ﾌﾟ]ｿ] ｻﾞ. jj¨ ‘ﾀﾞ lｿ ]/ ￨ ,l ， 表-2.3. ∧￨ｹ. 上二づ 二 ￨. 月試料を使用したﾓﾙﾀﾙの性質57). ｜. 七言⊃. 二二∼-∼ここ言 ヒ細注度. レゴリス. （MPa）. ﾌ5.6. 54.9. ヤンブ除数（GPa）. 12.4. フ.5. ヅアソン比. 0.39. 0.27. 8.3. 8.6. 21.5. 19.4. 5.2. 6.3. 仲川巾度. （MPa）. 轍鮒￨判系数（x 然膨張率. （x. ｢MPa） ｢ゾC）. ヴルにのコペ才J｣｣ ｀.I｣('洲づﾌﾟI¶桜￨九池￨の月月. あるいは繊顔袖強打などが考えられている几. のほか，製竹装置の簡素化や製造エネルギーなどを考慮して，鉄を急言疑固きせたア モルファス繊律呂や，川の伴奏から製造したGFRP(ジメチルイソフタレートガラス肛 繊却っ李利川する万万9偕ども視察されている． ハレのように，補注材料に関するいくつかの悦楽はあるが，技術的な検討は現在ま でにあま引回縁していない．混和材料とともに工業的な生産プロセスや経済性を考. 2-20. 4. ここでは，骨付加製造されると同時に各種の有用な鉱物が取り出される．前出の玄武. ている61).また，このようなj一服環境を作り出すための大型組立施設も現業されている 已工場内で養生されたこれらの製品は，最終的に建設現場に運ばれ，そこで組み立て られる．. 且士二万クリートの補注材料として利用することができる．利川ﾉﾌﾟ渋としては，地に ＰＣケ￣ブル，. 月で採取された石や砂は，まず月資源前処理工場において粉砕ならびに分級される．. りコンクリートに，数百トンの圧力と振動をソえて締め固めるといゲ方法加悦案され. 仁心しAﾆようにいﾚﾒナイトから鉄やチタニウムを抽出することができるため，ニ. 川ぐ亘川水に鉄佐. 月コンクリート製造プロセス6o）. に加工される．この場合の成形方法として，空隙量加最小となるように調整した硬練. 言ある．ﾚﾉﾆかつて、これらをコンクリートの骨材として使用した場合の長囲的な安 さらなる検討が必要と思われる．. 図一2.10. ご. 岩や灰長石はセメントエ場に活られ，ィルメナィトは水上場に辺ﾚっれる．−っしにじ きた材料はバッチャープラントで練りまぜられた後，プレキャストコンクリート製品. 丿川州ﾍﾞ俳加地ド几のと大きく異なる八は，過言に水の作用を受けていないこと ⊇￨ヤごっいては， ｄ)頑強川村. ご. 疑似利行o. 言ｸIｽﾌ. こ. なお図中の数字は，1. ton のコンクリード製品を製造するために必要な各材料. の所要量を示している． ｂ)月環境における製法 人小禄々な形の構見物が造れるというコンクリートの札φiを活かすには，現場施工 も考える必要がある．前述のように威しい月環境においてコンクリートを施工するた めには，様々な工夫が必要となる． 、K?de削よ月コンクリートの現場施工へ適用性について検討し，いくつかの成形およ び打込み方法を提案した已. これらは，i)軽量でかつ繰り返し利用のできるメッシュ型. 2-21.



C⑩ ︱. − 頁河. １. ︱. ６. 図一2.13. コンクリート製モジュール67’. 図一2.14のように工場で造られたモジュールは内部を与圧した状態で出荷され， 既存の建物上部を走行するクレーンによって運搬ならびに吊り下ろしされる．所定の 位置にI'がyドろされたモジュールは，既設モジュール内部からケーブルを緊張して緊 結される．図一2.15はこのようにして建設される月基地の概念図である． ｒ−ＩＩ. 図一2.15. コンクリート製月基地概念図69）. (Dモジュールの吊り降ろＬ. （４）月環境とコンクリートの性質 月環境がコンクリート材料の様々な性質等に与える影響については，これまでほと んど研究されていないのが現状である．｜低重力」，「真空」および「太陽熱」に関 ○・モジュールの設置 ・水平ケーブルの設置 ・モジュールの結合. する研究がわずかに行われている． ａ）重力の影響 コンクリートの練りまぜ，打込みおよび緒固めは重力を利用して行･っているため，. ○・クレーンの移動 ・内=all間11:切り壁パネルの撤去 ・モジュール下部の コンクリートグラウト. 重力の小さい月ではこれらの工程に何らかの影響を与えるものと考えられる． これに関しては，モルタルの硬化過程に及ぼす農力の影響を調べた実験が行われて いる゛1’7°j.地上で比較的長期の低重力環境を作りだすことは徊しいため，この実験で はモルタルに大きな加速度を与えた場合の圧縮強度を調べ，加速度と強度の関係を外. 膨張式堰き止め ○ﾄﾞ部グラ･!･トの完Ｔ. 挿して月面重力の影響を予測した．図一2.16は，モルタルの材令７ロ圧縮強度とその モルタルに与えた加速度の関係を示したものである．モルタルの圧縮強度と加速度の 対数値との間にはほぼ線形な関係が得られ，月面重力下におけるモルタルの強度は， 地上の場合の約90％になると推定された．. 図一2.14. モジュールの組立て状況69）. 2-24. 2-25.