1グラムの月の土を使ってヘリウム3抽出の「秘密」を探る

若い科学研究チームが集合写真を撮りました。後列の真ん中で青い手袋をはめた人が、月の土壌サンプルを手に持っています。画像提供：中国科学院寧波材料研究所

月の土は、特殊な真空カバーで覆われた小さなガラス瓶の中に静かに「横たわって」います。小さなガラス瓶の底を覆うことすらなく、重さはわずか1グラムで、「灰色のボールのよう」で「目立たない」月の土のようなこの小さなボールは、地球全体の将来のエネルギーの方向性を変えるかもしれない。

嫦娥5号が月から持ち帰った月の土は、研究のためにいくつかの科学研究機関に配布された。中国科学院寧波材料研究所は、中国宇宙科学院の共同研究部門として、月の土壌1グラムを借り受けた。彼らの研究は、月の土壌からヘリウム3を抽出する方法を見つけることです。

最近、中国科学院寧波材料研究所、第五航空宇宙科学技術アカデミー銭学森研究室、中国科学院物理研究所、南京大学の合同チームが学術誌「Materials Futures」に論文を発表し、月の土壌中のイルメナイト粒子の表面に非晶質ガラスの層を発見したと発表した。ガラス質材料の特殊な無秩序な原子積層構造は、極めて高い安定性を備えています。たとえば、ガラス質の琥珀は生物標本を何億年も保存することができ、酸化ガラスは核廃棄物を何千年も保管することができます。この研究は、イルメナイトガラスも極めて安定しており、月面の豊富なヘリウム3資源を捕捉し、保存していることを示しています。

ヘリウム3は、ヘリウム（周期表の2番目の元素）の同位体として、エネルギー、科学研究、国防安全保障などの分野で重要な応用価値を持っています。例えば、制御された核融合の燃料として、ヘリウム3の核融合は採掘に必要なエネルギーの250倍、ウラン235の核分裂反応のエネルギー（約20）の12.5倍を生み出します。 100トンのヘリウム3核融合によって生成されるエネルギーは、世界に1年間供給することができます。ヘリウム3の核融合プロセスは二次中性子放射線のリスクがなく、よりクリーンで制御可能です。また、ヘリウム3は極低温環境を実現するための重要な冷媒であり、超伝導、量子コンピューティング、トポロジカル絶縁体などの最先端の研究分野において不可欠な物質です。しかし、地球上の主なヘリウム元素はヘリウム4であり、ヘリウム3の埋蔵量はわずか0.5トン程度で、現在の需要を満たすには程遠い。

地球上では希少なヘリウム3は、月には驚くべき埋蔵量を持っています。ヘリウム3は太陽風の重要な成分であるため、月は一年中太陽風に照射され、大量のヘリウム3を蓄えています。月の資源、特にヘリウム3の含有量、分布、採掘の探査は、現在の国際的な深宇宙探査の避けられない傾向であり、主要な任務となっている。そのため、20 世紀末から科学技術界は新たな月の「ゴールド ラッシュ」を開始し、月探査と科学研究は新たな最高潮に達しました。しかし、ヘリウム3をその場で効率的に採掘する方法は、依然として科学的、技術的な課題です。

これまでの研究では、ヘリウム3が月の土壌粒子に溶解していることが示されています。ヘリウム3の抽出は拡散速度によって制限され、700℃を超える高温が必要です。これはエネルギーを大量に消費するだけでなく、速度も遅いため、月面での現地採掘には適していません。したがって、月の土壌におけるヘリウム3の貯蔵形態を調査することは、月がどのようにヘリウム3を捕捉するかを理解し、将来ヘリウム3資源をどのように開発し利用するかを理解するために重要です。

今回、中国の研究者らは高解像度透過型電子顕微鏡と電子エネルギー損失分光法を組み合わせて、ガラス層内の多数のヘリウム気泡を観察した。気泡の直径は約5～25ナノメートル（1ミリメートルは1000マイクロメートル、1マイクロメートルは1000ナノメートルに等しい - 記者注）で、気泡のほとんどはガラス層と結晶の界面付近に位置していた。しかし、粒子内部の結晶内には基本的にヘリウムの泡は存在しません。

イルメナイト中のヘリウムの溶解度が高いことから、研究者らは、ヘリウム原子はまず太陽風によってイルメナイト格子に注入され、その後格子のチャネル拡散効果によって徐々に放出されると考えている。表面ガラスは不規則な原子積層構造を持ち、ヘリウム原子の放出を制限します。ヘリウム原子は捕捉され、徐々に蓄積されて泡を形成します。

研究により、高温に加熱する必要なく、室温で泡の形で保存されたヘリウム3を機械的粉砕法で抽出できることがわかっています。さらに、イルメナイトは弱い磁性を持ち、磁気選別によって他の月の土壌粒子から分離できるため、月面での現地採掘が容易になります。推定によれば、月面のヘリウム3をすべて核融合に使用すれば、世界のエネルギー需要を2,600年間満たすことができる。

中国青年報と中国青年ネットワークの記者はインタビューで、中国科学院寧波材料研究所のこの研究チームが若い科学研究チームであることを知った。教師12人は全員1980年代生まれで、生徒は約20人。チームリーダーの王俊強研究員は、興味と粘り強さが科学研究の成功の鍵であると語った。

王俊強さんは大学卒業後、中国で物理学研究の最高レベルを誇る機関の一つである中国科学院物理研究所で大学院の学位を取得することを決意した。王俊強は博士号取得のために勉強していたとき、よく夜通し実験をしていました。それで、1年目の終わりに、彼の指導教官は彼が実験に最も多くの費用を費やした学生だと言いました。しかし、上司は文句を言うどころか、優しい口調で彼に話しかけました。今回、月面土壌調査ミッションを完遂するため、チームは実験やデータの分析に夜通し取り組むことが多かった。結局、彼らの努力は報われ、いくつかの重要な成果を達成しました。

月の土はたった 1 グラムしかないため、すべての実験は慎重に設計および計算されなければなりません。研究者たちは、月の土壌サンプルを採取するために特別なグローブボックスを使用し、「あの小さな灰の塊から少しずつ小さな粒子を採取」する必要があり、成功するサンプルを見つけるまでに多くのスクリーニングを経なければならない。現在、チームは独自に開発した世界最先端の超高温核磁気共鳴装置も使用し、高温下における月の土壌サンプルのガラス転移と相転移を研究しており、将来の月面土壌の現場3Dプリントと月面基地の設立に向けた基礎を築いている。

研究作業では、明確な方向性や結果が見えにくい場合があります。多くの破壊的かつ革新的な研究は、効果が出るまでに何年も、あるいは何十年もかかる場合があります。

「研究作業は非常に困難だが、幸運にも成功への道を歩み始めた」と、チームメンバーで中国科学院寧波材料研究所の准研究員である徐偉氏は語った。

出典：中国青年報