新研究：中国科学院が火星の土壌を利用した連続繊維の製造に進展

火星は太陽系の中で地球以外の人類の移住に最も適した惑星とされ、人類が広大な宇宙を探査する起点でもある。近年、火星基地建設が注目されている。火星の表面は火星の土で覆われている。その場で火星資源を利用することで基地の建設コストを削減し、人類の火星での生存維持能力を高めることができる。複合材料は基体と補強体からなる二元または多元混在系であり、構成材料は性能上互いに長所を取って短所を補い、相乗効果を発生し、複合材料の総合性能が原構成材料より優れ、さらに異なる要求を満たすようにする。そのため、火星資源をその場で利用して基体と補強体を獲得し、複合材料にすることができれば、火星基地の建設と運行維持過程の地球資源への依存を減らすことが期待される。

最近、中国科学院新疆理化技術研究所、地球化学研究所は香港中文大学（深セン）などと共同で、火星基地建設の高性能補強体材料への需要を出発点として、火星土壌を利用した連続繊維の製造と火星基地建設の実現可能性を検討した。研究によると、火星の土壌は地球の玄武岩に近い化学成分、鉱物相の組成と類似の溶融行為を持っている。実験によると、シミュレーション火星の土壌は1360℃で完全に溶融し、溶融−冷却中に明らかな結晶析出がなく、溶融体は急冷後に非晶質ガラス体に転化した。この実験結果を指導として、科学研究者は溶融-牽引法を用いて異なる繊維形成速度で連続火星ローム繊維を獲得した。

研究により、得られた繊維の平均直径は9.7 ~ 13.9μm、単糸の最大引張強度は1320 MPa、最大引張弾性率は99GPa。同時に、繊維形成速度の増加に伴い、繊維の引張強度とヤング率が低下することが分かった。これは、繊維形成速度が繊維中の原子の凝集状態構造に影響を与えるためである可能性がある。

火星ローム繊維では、Siが主要元素であり、含有量が45を超えるwt%。Si原子はO原子と四面体構造を形成し、さらに繊維中にネットワーク単位を形成する。1つのO原子が2つのSi原子に結合しているのは架橋酸素であり、そうでなければ非架橋酸素である。一般に、ケイ酸塩系における架橋酸素結合の数が多いほど、Si原子によるネットワーク重合度が高くなる。

科学研究者はラマンスペクトルを採用し、ガウス分峰フィッティング研究と結合して、火星ローム繊維のネットワーク重合度は繊維形成速度の増加に伴って減少し、具体的にはラマンスペクトルの中で代表的に3つの架橋酸素を含むシリカ酸素四面体のピーク面積が徐々に減少していることを明らかにした。そのため、この研究は比較的に低い線維形成速度の下で製造された火星ローム繊維がより緻密な原子構造を有し、外部破壊に抵抗しやすく、さらに良好な力学性能を有することを証明した。

さらに、科学研究者は火星の低重力及び特殊大気（低気圧及び不活性雰囲気）などの環境条件を結合し、上述の要素が繊維繊維繊維形成過程及び性能に与える影響を分析した。

研究によると、火星ロームを原料として連続的で直径制御可能な繊維材料を得ることができ、同時に、得られた繊維は複合技術を通じて繊維強化複合材料の製造を実現することが期待され、これはその場で火星ロームを利用して火星基地を建設するために応用価値がある。

関連研究成果は『クロスサイエンス』（iScience）に発表された。研究は国家自然科学基金、中国科学院関連プロジェクト、新疆ウイグル自治区の「天山英才」育成計画などの支持を得ている。

火星ロームを用いた連続繊維の製造及び火星基地建設のための構想図（A）及び異なる繊維形成速度で生産された火星ローム繊維の微視的形態（B）及び構造特性評価（C）