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地球の外で人間は20年以上にわたり、継続的に活動しています。
1998 年に打ち上げられた国際宇宙ステーション (ISS) は、地球を低軌道で周回する低軌道のモジュラー衛星であるため、地上から肉眼でも見ることができます。
2000 年 11 月 2 日以来、ISS にはさまざまな国から定期的に乗務員が交代して乗り込み、私たちの知識の限界をさらに押し広げるプロジェクトに取り組んでいます。宇宙飛行士は、重要な科学的任務以外の時は、ほとんど無重力の環境下で、運動、休息、掃除、睡眠など、私たちと同じように日常生活を送っています。
2020年10 月には、 ジョンソン宇宙センターから、シグナス補給船を搭載したアンタレスロケットが、NASA によって打ち上げられました。この貨物船には、ISSの 無重力環境下で、尿を水に変換するためのアンモニア酸化を調べる実験装置を搭載していました。
この廃棄物管理システムを改善させる試みは、将来のより長期間にわたる探査ミッションに大きく影響を及ぼします。そこでは、探査旅行中の生命維持に必要な水の量を宇宙船の有効搭載量に合わせて最適化する必要があります。宇宙船に搭載される限られた資源を考えると、船内での水の回収と再利用は非常に重要です。
この研究は将来的に計画されている、 月（アルテミス） や 火星（オリオン）での有人探査のためでもあります。
この実験には メトローム ドロップセンス (DropSens) の スクリーンプリント電極 (SPE) が使われています。そして、電極の新しいナノ材料コーティング技術は、スペインの アリカンテ大学 と協力して プエルトリコ大学の研究者によって開発されました。
この記事では、このプロジェクトで活躍している研究者を紹介し、メトローム製品を使って宇宙で行っている研究について詳しく説明したいと思います.
研究者に会う
José Solla Gullón 博士 (Ph.D. 2003年、化学）
私は現在、スペインのアリカンテ大学で働いている、米国電気化学研究所の特別研究員です。私の主な研究課題は、明確に定義されたサイズ、組成、形状、および表面構造を持つさまざまな種類のナノ粒子の合成、特性評価、および電気化学的特性に焦点を当てています。私の全体的な出版記録には、約 175 の出版物が含まれています (h-インデックス 53）。また、250件以上の国際会議や国内会議に携わってきました。
カミラ・モラレス・ナバス博士
私はプエルトリコ大学 (UPR). で化学科に在籍している大学院生です（2020年当時）。私は NASA と共同で、「ISS での電気化学測定技術によるアンモニアの電気化学的酸化メカニズムの解明」または、ISSのアンモニア電解酸化実験である Ammonia Electrooxidation Lab at the ISS (AELISS) というタイトルの研究プロジェクトに取り組んでいます。このプロジェクトの目的は、水処理システムを改善し、宇宙での長期ミッションのための新しい技術を特定することです。
このプロジェクトの帰属先は NASA-ESPCoRで、メトローム ドロップセンスは、プエルトリコ大学、アリカンテ大学、NuVant Systems、Nanoracksに対して研究協力をしています。
プロジェクトの詳細については、NASA の Web サイトをご覧ください。
AELISS プロジェクト
カミラと彼女の大学院アドバイザーによる簡単な概要については、NASA が提供する動画をご覧ください。
ここでは、この研究で使用された、メトローム ドロップセンスの スクリーンプリントカーボン電極 およびそれに対応する フローセル (FLWCL8X1C)がご覧いただけます。
AELISS プロジェクトはどのように始まったのですか?
約 5 年前、アリカンテ大学とプエルトリコ大学 (UPR) のグループは、無重力下での実験に協力を開始し、現在 ISS でのプロジェクトに再び協力することになりました。
白金を触媒として使用したアンモニアの電気化学的酸化は、確立された反応であり、ほぼ 20 年前に José のグループによって初めて発表されました。アンモニアはプラチナの表面構造に非常に敏感です。しかし、これは地球上でしか行われていませんでした。この反応プロセスは、無重力環境下ではどのように振る舞うのでしょうか？ グループでは、米国で実験を行うことにより、この疑問を解決することとなりました。 特殊な飛行機で放物線状に飛行することにより、短時間の無重力状態を模倣します。
最初は、これは純粋に研究目的でしたが、後にプエルトリコのカミラのグループは、宇宙での潜在的な使用について考えるようになりました。尿中の尿素はアンモニアに変換され、電気化学的酸化プロセスを経て N が生成されます。2 ガス、水、エネルギー。おそらく、この技術を使用して、ISS や他の宇宙船の搭載された水回収および再利用システムを改善することが可能ではないかと。
UPR グループは、NASA が資金を提供する研究提案を作成することが多いため、プロジェクトの要件や、ミッションに搭載できる材料について、この分野の知識が豊富です。 UPR グループは、NASA と協力して約 20 年間活動してきました。
スペインの José の研究室のアンモニア酸化研究の専門知識と、NASA のエンジニアリングと安全要件に関するプエルトリコの Camila のグループの知識を組み合わせることで、複雑な AELISS プロジェクトの構築と実現が可能になりました。しかし、ISS に何かを打ち上げるには、問題がないわけではありません…
COVID-19 パンデミックは研究に大きな影響を与えましたか?
共同研究プロジェクト中に発生する通常の問題や遅延とは別に、世界的なCOVID-19 パンデミックは、 AELISS プロジェクトのスケジュールに大きな影響を与えました。特に、NASA の非常に規制の厳しい環境での移動と作業に大きな影響がありました。さらに、プエルトリコでは、この時期にすでにいくつかの大地震やハリケーンが発生していました。
特にカミラが研究を完了するために国へ帰らなければならなかったときは、打ち上げに間に合うか厳しい状況でした。2020年6 月に彼女は研究室に戻り、プロジェクトを完了することができました。しかし、米国の NASA へのフライトがまだ残っていたため、ストレスの多い部分はまだ終わっていませんでした。そのため、旅行中の COVID-19 感染の脅威が常に存在していました。
COVID-19の検査結果が 1 つでも陽性があると、ISSクルーへの感染を防止するため、入国が拒否されます。
最終的に、打ち上げ前と打ち上げ中にすべてが計画通りに進み、10 月に宇宙飛行士のための他の貴重な貨物と一緒に、計器類が国際宇宙ステーションに送られました。パズルのこの部分が完成したので、残りの作業が始まります…
AELISS は、地球での同様の実験とどう違うのですか?
この研究の最終目標は、 重力がアンモニアの酸化にどのように影響するか、また微小重力下でさまざまな触媒を試すことです。 pH、ナノ粒子の形状など、他のいくつかのパラメーターはラボで調整できますが、重力は避けられない普遍的な制約です。地球上では、微小重力の影響を再現できるのは、自由落下中の数秒間だけです。このプロジェクトのグループ間の以前の共同作業には、一度に 15 秒未満の無重力状態を可能にする特別なフライトでの実験も含まれていました。これは長期的な結論を導き出すのに十分な時間ではないですが、プロジェクトを宇宙ステーションで実行する後押しとなります。そうして初めて真の比較をおこなえ、重力の影響とこの技術の将来の適用可能性について導き出された結論が得られます。
このプロジェクトにおける注目点は、廃棄される尿を長期宇宙ミッションで利用可能な水へ効率的に戻すことです。宇宙において水のリサイクルは重要なポイントです。また、アンモニアの酸化の生成物は窒素ガスですが、ガスの挙動は宇宙と地球上で同じではないことに注意する必要があります。重力が存在しないところでのN2 の仕組みを理解するには、その気泡の挙動を研究することが重要なステップとなります。
カミラ博士の研究プロジェクトは、地球での飛行中の短期間の無重力ではなく、宇宙の現実的な条件下で、これらの疑問を明らかにすることを目指しています。 では、研究者がどのような経緯でメトローム製品を使用するようになったのでしょうか？
メトローム製品でなければいけない理由とは
何故メトロームの電気化学測定装置を選んだのか、ジョセフ博士とカミラ博士に理由を聞いてみました。
さらに、ジョセフ博士は、メトローム ドロップセンスの電気化学セルのサイズが非常に小さい少ない、ことを挙げています。 これは彼らの目指すシステムに適合するためにとても重要なポイントでした。実際に、このプロジェクトで使用するために、メトローム ドロップセンスの製品に必要だったのは表面的な変更だけでした。 使用されたすべての材料はNASA によって使用が承認されていました。
カミラ博士にとっては、メトローム ドロップセンスの製品を使用するのはこれが初めてでしたが、すぐに使用できてとても役に立ったそうです。
過去に、 ジョセフ博士は、メトローム ドロップセンスへ彼の研究用途に合うようにSPE をカスタム設計するよう何度か依頼しました。そして常に納得のいく製品ができてきました。
野心的なAELISS プロジェクトを支えている、プエルトリコ大学とアリカンテ大学の研究グループの成功を祈っています。メトローム製品が宇宙探査に貢献できることを誇りに思っています。
