月面探査船内でのＣＯ₂分離・除去のための膜分離装置の設計に成功！

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月面探査船内でのＣＯ₂分離・除去のための膜分離装置の設計に成功！

九州大学×株式会社ＪＣＣＬ×ＪＡＸＡ×東京工業大学

九州大学、株式会社ＪＣＣＬ（本社：福岡市西区）およびＪＡＸＡは、このたび東京工業大学と共同で有人与圧ローバ等を想定した有人宇宙探査船内でのＣＯ₂分離・除去のための膜分離装置の設計に成功いたしましたので、お知らせいたします。

今回設計されたのは、ＮＡＳＡが提案している月面探査プログラム（アルテミス計画）のためにＪＡＸＡが開発中の有人与圧ローバー（注１）を想定し、船内の宇宙飛行士の居住空間からＣＯ₂を分離し船外に除去する機能を担うＣＯ₂分離・除去装置です。九州大学大学院工学研究院の星野教授の研究成果をもとに株式会社ＪＣＣＬで開発された高性能なＣＯ₂選択透過膜（アミン含有ゲル粒子膜（注２））と減圧蒸気スイープ型の膜分離装置（注３）を活用することを想定し、２名の宇宙飛行士が乗車した与圧ローバーから宇宙飛行士の呼気内に含まれるＣＯ₂を分離し宇宙船外に排出し船内のＣＯ₂濃度を低い濃度に維持するための装置の操作条件の最適化を行いました。検討の結果、宇宙飛行士の活動状態（就寝時間・活動時間・運動時間）に応じて大きく変化するＣＯ₂の発生量に応じてＣＯ₂除去装置内で使用する膜モジュールの数を適切に変化させることでローバー内の有用ガス（窒素や酸素）を失うことなくＣＯ₂の濃度上昇を適切に抑制できることが示されました。さらに、運動状態に応じてＣＯ₂除去装置に導入する空気の量を調節することでＣＯ₂除去装置の使用電力を大幅に低減できることが示されました。今後は、有人宇宙船内への実装を想定し、さらに小型化するための研究を継続させます。当該成果は、宇宙探査におけるＣＯ₂分離・除去だけでなく、地球上の大気やオフィスビル内の空気からのＣＯ₂直接回収（Direct Air Capture: DAC）を実現するための基盤技術としての応用が期待されています。

本成果は、ＪＡＸＡ宇宙探査イノベーションハブ事業による九州大学、株式会社ＪＣＣＬ、ＪＡＸＡ、東京工業大学との共同研究の成果であり、2024年9月11日に化学工学会第55回秋季大会にて発表されました。
（注１）有人与圧ローバー
月面で宇宙飛行士が乗り込み、生活しながら、月などの天体表面を、約1か月にわたって探査することができるJAXAが検討中の探査車。無人期間も含め、月面の地質・資源の調査などをより広い範囲で行うことができ、持続的な月探査を目指すアルテミス計画の中で、非常に重要な役割を持つ。
https://humans-in-space.jaxa.jp/biz-lab/tech/pressurized-rover/より引用。

図１　アミン含有ゲルからなるCO₂選択透過膜

（注２）アミン含有ゲル粒子膜
ＣＯ₂と反応するアミンを導入したゲル微粒子を多孔性の支持膜にスプレー塗工することで製造される高性能なＣＯ₂選択透過膜（図１）。空気を模擬した400 ppmのＣＯ₂含有ガスに対しては窒素に対して2,380倍の選択性でＣＯ₂を透過することが報告されている（透過流束1,270 GPU）。
ACS Appl. Mater. & Interf. 13, 30030-, 2021
（注３）減圧蒸気スイープ型膜分離装置
ＣＯ₂分離膜に、調湿されたＣＯ₂含有ガスを流し、透過側を減圧、蒸気供給することでＣＯ₂を分離・濃縮する装置。透過側に流す減圧蒸気の供給量や相対湿度を自動制御して濃度１３%のＣＯ₂を１ヶ月上９７%以上に濃縮できる。