中国の科学者が新型触媒を開発し、火星の大気を液体燃料に転換

中国の科学者は、希薄な火星の大気を多用途のメタノールに転換する触媒プロセスを開発した。合肥深空探索実験室のチームは、銅とナトリウムを多孔質の結晶支持体上に結合させた二位点触媒を開発し、二酸化炭素と水素（現地の氷から得られる）をメタノール燃料に変換した。テストでは、このナトリウム強化触媒は1キログラムあたり毎時245グラムのメタノールを生成し、報告によればこの生産量は銅単独使用時の生産量の「11倍」に達した。この材料は不要な副産物を減少させ、12時間のテスト中に安定した性能を維持した。

メタノールの多用途エネルギー役割

メタノールは、宇宙基地の維持に向けた解決策を提供し、発電、暖房、及び惑星探査車の動力源として信頼できるエネルギーを提供する。

研究者は研究論文の中で、「最適化された触媒、特に MOF-808-NaCu は、二酸化炭素の水素化反応性能を大幅に向上させ、供給されるメタノールの時空間生産量は245 g·kgcat –1 ·h –1 である」と記述した。彼らはさらに、「これらの発見は、隣接するアルカリ金属位点が二位点触媒における促進作用を明らかにし、将来の火星探査応用に向けた効率的な二酸化炭素転換のための材料設計戦略を提供する」と補足した。

火星に人類の居住地を築くことは、宇宙生活の究極の夢であるが、その後方支援の課題は巨大である。火星の大気は95%以上が二酸化炭素で構成されており、生存が困難である。地球から数千トンの燃料を数百万キロメートルの深宇宙に輸送することは非常に高価であるため、将来の居住者は赤い惑星上で直接必需品を生産する必要がある。この未来は、まず地球上で広範な研究を行う必要がある。研究者の張哲とそのチームは、MOF-808-NaCuという名の二位点触媒を合成した。この材料は多孔質金属有機フレームワーク（MOF-808）に基づき、銅原子と隣接するナトリウム触媒を直接ペアリングしている。

ナトリウムは、化学的な磁石のように、入ってくる二酸化炭素分子を引き寄せ、その電子構造を変化させ、位置に固定することで、隣接する銅位点が現地の火星の氷から分離された水素を利用して水素化反応を行えるようにする。

メタノールのメタンに対する利点

NASAのような宇宙機関やSpaceXなどの民間請負業者は、長年にわたりサバティエ反応器を利用してメタン燃料を生成してきた。メタンは強力なロケット推進剤であるが、その保存には-257.8華氏度（-161摂氏度）で液体状態を維持するための複雑な低温冷却システムが必要である。

メタノールはメタンに比べて、常温常圧で液体のまま保持されるため、より実用的な代替案を提供する。大規模な冷却設備を必要とせずに安定した液体化学物質を生産することは、将来の火星基地に即時的な多用途の備蓄を提供し、電力供給、暖房、地上輸送、工業製造に利用できる。燃料としてだけでなく、メタノールは化学原料としても利用され、凍結防止剤、建材、さまざまな必需品の製造に使用される。

2021年の天問1号探査機の着陸以来、中国の宇宙計画は急速に発展している。今後の天問3号ミッションでは人類初の火星サンプル回収が計画されており、原位資源利用（ISRU）技術の開発は次のステップに向けた論理的な選択である。しかし、この触媒が宇宙に展開される前には、いくつかの工学的な課題が残されている。主に、エンジニアは希薄な火星の空気を捕獲し、圧縮するための軽量コンプレッサーを設計する必要がある。全体として、科学者たちは火星での生存の鍵が、既存の資源を利用することを学ぶことにあることを証明した。

火星探査と資源利用の未来

火星探査の成功は、現地資源を効果的に利用できるかどうかにかかっている。この研究は、火星の大気中の二酸化炭素をメタノールに転換する方法を示し、将来の宇宙基地にエネルギーを提供する。従来のメタン生産に比べて、メタノールの液体特性は常温常圧での保存と使用を容易にし、火星の生存環境にとって重要である。中国の宇宙計画の発展に伴い、この技術のさらなる改善は、人類が火星に居住地を築くための重要な一歩となる可能性がある。