森に棲む／月に棲む
2024年1月28日 更新
2023年7月19日 初版
月に棲む：月に即席で構築するベースキャンプ
Quick Setup Lunar Base Camp on the Pole / in the Pit
佐藤淳／東京大学, 佐藤淳構造設計事務所
月の「極域」には地球の白夜のようにほとんど太陽が沈まない「永久日照」があります。「発電」に都合よく「極寒」を避けられる滞在候補地とされています。クレーターの底にある「永久影」は放射線が少なく砂には水が含まれていそうです。
月にも火星にも「縦孔」と呼ばれる洞窟も見つかっています。「温度差」「放射線」「隕石」から守られた滞在に適した候補地とされています。
人類が月のそんなところへ棲みつく準備をする初期の「月面基地」としての「ベースキャンプ」を提案しています。「滞在モジュール」の他に「ケーブルリフト」「ソーラー発電モジュール」を設営します。極めて簡素な構造でできるだけ「即席」で「パッシブ」に展開する機構を目指しています。
開発チーム
東京大学／佐藤 淳, 河鰭 実之, 横関 智弘
九州大学／斉藤 一哉
JAXA／桜井 誠人, 阿波田 康裕, 星之内 菜生
ベースキャンプを構成するモジュール
滞在モジュール／オーバーハングモジュール／ソーラーモジュール
「極域＝南極」へのセットアップ → Movie
「縦孔」へのセットアップ
● 日本と世界の総力を結束し極域の大型永久影への進出を支援する「ベースキャンプ構想」
月の南極にArtemis計画で想定されている着陸候補地の一つとしてShackletonクレーター近辺があります。そこから周辺の凹地にある中型〜大型の「永久影」へと探査を進めていく計画です。
この数年でこの近辺の「高解像度画像」が得られています。拡大してみると着陸候補地のどこにでも「極小型」のクレーターが点在しています。
Shackletonクレーターの高解像度画像
https://www.lroc.asu.edu/posts/1105
Shackleton Rim／Connecting Ridgeの拡大画像
https://www.lroc.asu.edu/posts/1105
まずそこにベースキャンプを設営して「水採取」や「資源プラント」の「テスト」をすることを考えます。同時に「大型永久影」との「往来」や「長期居住モジュール」の構築なども支援できます。
「直径200〜1000m」程度のクレーターならテストできる量の水や資源を保有していると予想されます。太陽光の角度から算定して過去に月の自転軸がもっと傾いていたときからの「永久影」がそんなクレーターにもありそうです。
小型クレーターのRimへベースキャンプを設営すると考えるとインフラも含めて「着陸精度」が粗いことも考えても「100〜500m」程度の小範囲での構築できそうです。これはかなり早期の実現性が高いと考えます。できるだけ早期の実現を目指して各モジュールをコンパクトに設計します。
極域へのセットアップ：水採取や資源プラントのテスト
極域に設営するベースキャンプの基本構成
このベースキャンプ構想は次のような並行して実施される各開発を「支援」して繋ぐ「ブレイクスルー」となり日本や世界の総力を「結束」するものとなります。
・「Artemis計画」における有人着陸の滞在支援
・大型永久影への「遠距離往来」の支援 → 「ローバー」，「索道」
・大型永久影での水採取，推薬生成プラントの構築支援
・「長期居住」の準備支援 → 整地 + 無人遠隔施工 + 長期居住モジュール
ベースキャンプからの支援
(1) Artemis計画の有人着陸，ローバーによる遠距離往来，索道の構築を支援する。
(2) 大型永久影での水採取，推薬プラント構築を支援する。
(3) 整地+長期居住モジュールの構築を支援する。
居住モジュールとオーバーハング（桟橋）（東京大学＋九州大学＋JAXA）
● ベースキャンプ構想から自ずと生まれるシナリオ
このような構想を「たたき台」として皆で共有すると自ずとその前後の「シナリオ」と「開発項目」が浮かび上がってきます。
ベースキャンプおよび短期滞在拠点の設営目標は「2030年代前半」が望まれます。すると「2028年」ごろには「環境調査」や「機構試験」のための月面での「予備探査」が必要となります。その予備探査のために「輸送」「通信」「生命維持装置」「モジュール躯体」など準備を進め予備探査の仕様を決める必要があります。ベースキャンプから支援する「遠距離移動」「整地」は「2030年代前半〜中旬」に同時に並行して進め、続いて「2030年代後半〜2040年代」に「プラント」「長期居住モジュール」を完成できるよう支援します。
これらを見据えることも「2028年」ごろの予備探査の仕様を決める要素となります。予備探査機に極小型の「簡易土質調査装置」「整地装置」「レゴリス掬い取り装置」「ISRUテスト装置」といった機器を相乗りさせることになりそうです。
予備探査を踏まえて各開発へフィードバックし完成を目指すことを考えると「早急」に「公式」に「滞在拠点計画チーム」を発足することが望まれます。
● 早期設営の工夫
Artemis計画を始め世界的に有人着陸が急速に目指されている状況で「極短期用」でもよいので早急な「滞在モジュール」の設営が望まれます。各モジュールは簡素な構造でできるだけ「即席」で「パッシブ」に展開する機構を目指しています。
滞在モジュールには最小限の装備で数週間のみ滞在する「短期滞在」「極軽量型」から始めるオプションも用意します。「滞在モジュール＋発電＋桟橋」は「1〜2回」で輸送できるようコンパクトに設計します。「作業用ステージ」は送り出す機構を考えるか、予備探査で設営しておくことも考えられます。
初期には予備探査における「極簡易な土質調査」だけで凸凹の地形や斜面など「極非平坦地」に接地できるよう設計します。
徐々に「モジュール増設」「放射線遮蔽」などグレードアップします。
初期の放射線遮蔽材は「ポリエチレン系内臓型」とし後に地産地消を目指します。
ベースキャンプを構成するモジュール
滞在モジュール ／ オーバーハングモジュール ／ ソーラーモジュール
最初は「桟橋なし」として大型永久影への往来を支援するのみとする最少構成も考えられます。その構成は遠距離移動の各地に設営する「中継地／Safe Haven」としても活用できます。
これらモジュールのセットアップはほぼそのまま「縦孔」にも適用できます。
将来的には「極域」でも「縦孔」でも「桟橋」を使う場面が出てくると想像されるのでこのベースキャンプで技術実証していくことを考えます。
● セットアップのバリエーション
・予備探査用 Pre-exploration
Option PE01
内蔵電池のみで使いきりとするケース
レゴリス粉末（lunar dust）が付着した状態、低重力状態での展開機構の試験
ハブを除く質量目標 → 200〜400 kg 程度とするか
Option PE02
発電ありのケース
レゴリス粉末（lunar dust）が付着した状態、低重力状態での展開機構の試験
ハブを除く質量 → 400〜600 kg 程度とするか
Option PE02 のイメージ
まだ隙間が多いのでさらにコンパクトに格納する
固定度も上げる
・極域用 Lunar Pole
Option LP01:
最少モジュール
発電は先行して設営されているとする
「有人着陸点」付近に設営
大型PSRへの中継地やSafe Havenにも使用できる
Option LP02:
桟橋なしの「滞在＋発電」の一体モジュール
「有人着陸点」付近に設営
大型PSRへの中継地やSafe Havenにも使用できる
Option LP03:
輸送を2回に分けるケース
Option LP04:
作業ステージなしの「滞在＋発電＋桟橋」の一体モジュール
Option LP05:
作業ステージなしで「滞在」「発電＋桟橋」の2回輸送のケース
Option LP06:
小型PSRでのテストができるベースキャンプ
滞在部は外皮が1mmにできるサイズ
放射線遮蔽なしまたは居住部のみ少し遮蔽
酸素と水は使い捨てのほうが総合的に軽量化できる
蓄電池は非常用に少しだけ
Option LP07:
小型PSRでのテストができるベースキャンプ
輸送を2回に分けるケース
「発電+桟橋」モジュールと「作業ステージ」は日本の輸送能力で運べるものとする
「滞在モジュール」は中型ロケットによる
・縦孔用 Lava Tube
Option LT01:
「発電+桟橋」一体モジュール
Option LT02:
発電と桟橋を分けるケース
Option LT03:
4人用の滞在モジュール
● 対象となるクレーターの形状
ベースキャンプの設営に適したスケールとプロポーションのクレーターを算定してみました。
月、地球、太陽の配置から「極から20km地点のクレーター」における最大の太陽高度は2.2167°となります。これに30億年以上昔には月の自転軸の傾きが5°ほど大きかったことも含めて断面図を描いてみました。
月の極で太陽高度が最大となる太陽，地球，月の配置
直径200m／深さ20mのクレーター形状
直径200m／深さ30mのクレーター形状
直径200mと極小型のクレーターでも深さ20m以上あれば過去から永久影になっている底部が直径100m程度存在すると分かります。実際の地形はもっと複雑ですが概ねこの程度の規模のクレーターが対象になりそうです。
ベースキャンプの規模をクレーターのリム部から山側100m+底側400m=500m程度の範囲での設営とし、資源採取のため底部直径100m程度はあるのが望ましいと考えたときの対象形状は次のようになりそうです。
・直径200m／深さ20m以上 〜 直径1000m／深さ50m以上程度。
・もう少し絞り込むなら直径200m／深さ20m以上 〜 直径400m／深さ30m以上程度。
・斜面の角度は写真とレゴリスの安息角から想像して20〜30°程度。
この程度の規模のクレーターの断面図を描いてみると現実に存在しそうだと分かります。
直径200m／400mのクレーターとベースキャンプのプロポーション
影になるクレーター底部部の直径が100〜200mになると予想される。
各種テストに適した規模となる。
● 縦孔への設営
縦孔では「放射線遮蔽」と「断熱」が軽微でよいので居住モジュールを大型にできます。赤道に近いほど夜間が長くなります。ソーラー発電とする場合は夜間に必要な電力を昼間に発電しておくことになります。将来的には「縦孔縁」の月表面へ「増設」していきます。
極域は地球から観測しにくいため縦孔を見つけにくいのですが徐々に極に近い縦孔も見つかっています。極域の間近にも見つかる可能性が高く「極域の拠点」と「縦孔の拠点」を往来できるようになるかもしれません。火星居住に向けては縦孔が有力とされていてその準備にもなります。
「縦孔」へのセットアップ
縦孔への設営 ／ 縦孔縁（月表面）への増殖
WHAT MUSEUM（建築倉庫）展覧会「感覚する構造」のために低いめですが縦孔の地形を作りました。
● 滞在モジュール
滞在モジュールは「大型版」としては胴部で幅11m×長さ18mと想定して設計し、4人が6ヶ月滞在するとして物資の数量など試算しています。これを算出しておくと「小型版」「軽量版」にした場合についても算出しやすくなります。「小型版」としては胴部で幅7m×長さ9m程度、2人が2〜4週間滞在するなど想定しています。
厚さ2mmのアルミ製の「枕型外皮」が内気圧で膨らむと、展開するステージとなる「スライドレール」を押し出し、「接地脚」が着地し、内蔵された「高床フレーム」が「同時展開」します。
「枕型」の胴部は「放射線遮蔽材」や「断熱材」で内部を覆うこと考えると円筒形よりも面積が小さくできる利点があります。内部でまとまった面積の床が確保できる、昇降階段を少なくできる、といった利点もあります。
2023年度はこれらの実寸の設計を進めています。
滞在モジュールモックアップ S=1:10
エアロックは未装着。
滞在モジュール躯体構成要素：展開前／展開後
これらの要素を同時に展開させます。
→ 
→ 
滞在モジュールの展開
胴部が膨らみながらスライドレールを押し出し非平坦地に接地します。
花柄ディンプル／低曲率曲げ／内蔵高床
枕型の外皮は「花柄ディンプル (Sakura Dimple)」と「低曲率曲げ」により展開しやすくしています。
床骨組は圧縮材として突っ張って外皮を枕型にします。
胴体サポートのスライド部
接地機構のオプション
「非平坦地」に馴染ませる接地脚として2つの形式を考えています。
まず「摩擦機構」のほうに取り組み「接点シフト型」のテコがよいと判りました。
足は雪国の「かんじき」のような形態にしてレゴリスに沈下しないようにしています。
「かんじき」の足と「接点シフトテコ」の脚
傾斜地／極非平坦地への接地
簡易土質調査の計画
● 岩（ボルダー）を踏んだ場合にずらないか
● スパイクを設けるときの効き具合
内気圧による展開試験 S=1:10
小型モックアップで内気圧による「展開試験」を実施しました。
概ね想定した通りに展開できることが確認されました。
滞在モジュールの狭隘部には「高密度緑化」を施します。
二酸化炭素、酸素、食料のサイクルを補助します。
内部の建築計画を具体化するため、栽培ツールを開発して作付面積を算出します。
● オーバーハングモジュール
極域では「クレーター底部」へのアプローチとして、縦孔では「崖部」を昇降するため、ケーブルリフトを吊る「オーバーハング」した桟橋状のモジュールが活用できます。
クレーターや縦孔の形状からはね出す長さを15mとして設計してみています。
オーバーハングモジュールモックアップ S=1:10
崖からはね出す「張弦構造」です。
15mの片持ちから「ケーブルリフト」が吊られます。
「静かの海の縦孔」の写真から、片持ち長さは15mほど必要と見られます。
← 
← 
展開プロセス
「スライドレール」と「接地脚」は滞在モジュールと同じものが使えます。
スライドレールが押し出されると、ケーブルで束が引っ張り起こされます。
オーバーハングモジュールのユニット
こちらも実寸の設計が進んでいます。
● ソーラーモジュール
ソーラー発電モジュールはソーラーパネルが扇型に展開するものとし「ハサミムシ」の後翅を模した展開機構で展開させます。ここでは重量などは蓄電池方式で算定しています。
斉藤一哉先生（九州大学）による開発の展開機構です。
「ハサミムシ」の後翅を模した機構で扇子のように畳まれながら長さが半分に折り畳まれます。
ランディング機能を装着させ「非平坦地」に接地させるよう設計を進めています。
ランディング機能を装着したイメージ
● 放射線遮蔽とモジュールの軽量化
初期の滞在モジュールの放射線遮蔽としてここでは「ポリエチレン系」で「内蔵型」とします。将来的には「地産地消」が望ましいとされレゴリスに「埋設」する方法が候補になっており「ベースキャンプ」からその設営を支援することも考えられます。
極域において例えば「半年」の滞在で「100mSv」程度の被曝に抑えるとすると月面で420mSv/yearとされる放射線を50%に遮蔽すればよいことになります。
被曝量 420mSv/year × 50%遮蔽 × 0.5year = 105mSv
物資の格納／放射線遮蔽材／断熱材
JAXAその他の研究資料より放射線を50%に遮蔽するにはポリエチレン系として天井面2/3を10cm、床面1/3は放射線が入りにくく床もあるので5cmとすればよいと考えます。その他に「内装」「備品類」「植物」による遮蔽効果も見込まれます。
これを基に「極短期」など滞在期間や「輸送能力」および「モジュールサイズ」の組み合わせで適切な重量に抑えていきます。例えば「1ヶ月」程度の滞在であればほとんど不要ということになります。「寝室」など長時間使用する室のみ覆うことも考えられます。
縮小サイズのモジュール断面図 100%／75%／60%
75%と60%の場合には「放射線遮蔽材＋断熱材」を描いています。
サイズを小さくする場合のイメージは次のようになりそうです。
・滞在モジュール100% サイズ → 11×18m，表面積420m2，縦孔での4人用
・滞在モジュール 75% サイズ → 8×14m，表面積240m2，極域または縦孔縁での4人用
・滞在モジュール 60% サイズ → 7× 9m，表面積140m2，極域または縦孔縁での2人用
なお太陽フレア時の「バースト」に備えては「永久影」に設営されたモジュールへ退避、または内部に「避難カプセル」を搭載することが考えられます。
放射線遮蔽材＋断熱材の貼り付け方法の一案
伸縮性ある膜材を「小間切れ」にした「放射線遮蔽材」と「断熱材」で挟み込んで室内に畳んでおき
内圧で外皮と同時に膨らませます。
膨らむと小間切れの材同士は「密着」します。
アルミ外皮に気密材を貼ってあれば伸縮膜はゴム製など「一時的」な気密性があれば足ります。
「恒久的」に気密性あるものがあればアルミ外皮の気密材が不要となります。
↓
この形式なら初期に放射線遮蔽材を搭載せず将来持ち込むこともできます。
● 開発チーム
東京大学／佐藤 淳, 河鰭 実之, 横関 智弘
九州大学／斉藤 一哉
JAXA／桜井 誠人, 阿波田 康裕, 星之内 菜生
● 補遺
本開発は以下のプロジェクトで実施したものです。
(1)「外皮と床が即時展開されるベースキャンプ(構造物)とその内部緑化空間の構築」, JAXA宇宙探査ハブ共同研究, 2021年度
(2)「月の縦孔での滞在開始用ベースキャンプの最少形態と展開着床機構」, 国土交通省＋文部科学省＋内閣府「宇宙建設革新プロジェクト／スターダストプログラム」, 2022〜2025年度
● 学会等発表
(1) Jun Sato, Saneyuki Kawabata, Tomohiro Yokozeki, Kazuya Saito, Makoto Sakurai, Yasuhiro Awata, Nao Hoshinouchi : Quick Setup Mechanism for Lunar Base Camp in the Pit / on the Pole, Global Moon Village Workshop & Symposium, 2023
(2) 佐藤淳, 河鰭実之, 横関智弘, 斉藤一哉, 桜井誠人, 阿波田康裕, 星之内菜生：縦孔での滞在開始用ベースキャンプの展開着床機構, 第67回宇宙科学技術連合講演会, 4C12, 2023
(3) 佐藤淳, 河鰭実之, 横関智弘, 斉藤一哉, 桜井誠人, 阿波田康裕, 星之内菜生：月の縦孔での滞在開始用ベースキャンプの最少形態と展開着床機構の開発, 第67回宇宙科学技術連合講演会, 1N13, 2023
(4) Jun Sato, Saneyuki Kawabata, Tomohiro Yokozeki, Kazuya Saito, Makoto Sakurai, Yasuhiro Awata, Nao Hoshinouchi : Passive Deployment Mechanisms for Minimal Composition of Lunar/Martian Base Camp Implanted into Lava Tube, 52nd International Conference on Environmental Systems (ICES), 233, 2023
(5) Jun Sato, Saneyuki Kawabata, Luciana Tenorio, Junichi Yazawa, Atsuyuki Yukawa, Yasuhiro Awata : Quick Setup Lunar/Martian Base Camp Implanted into Lava Tube Derived from Jasmine Dimples and Low Curvature Folding (in press), International Astronautical Congress (IAC), IAC-22, LBA, A3, 3, x74519, 2022
(6) 佐藤淳, 河鰭実之, Luciana Tenorio, 矢澤潤一, 湯川敦之, 阿波田康裕：縦孔に展開着床する滞在開始用ベースキャンプの最少形態, 第66回宇宙科学技術連合講演会, 4A12, 2022
(7) 佐藤淳：外皮と高床骨組が同時に即時展開するベースキャンプ, 第65回宇宙科学技術連合講演会, 2H02, 2021