1. Simulation of Space Habitat

1.1. Mass Flow Analysis of Controlled Ecological Life Support Systems (CELSS) 

A Controlled Ecological Life Support System (CELSS) is a self-supporting life support system for space stations and colonies based on physicochemical and biological systems. It consists of humans, animals, plants, and a controlled recycling system. Plants supply food to the humans or reproduce water and gases by photosynthesis, while controlled recycling systems recycle waste from humans and plants physicochemically. We developed a dynamic simulation model for analyzing the mass flow of a CELSS. We applied the modeling method to mass flow analysis and designed a control system for a Closed Ecological Experiment System (CEEF) at the Institute for Environmental Sciences (IES).

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Fig. 1 Closed Ecological Experiment System (CEEF) cited from the IES web page

1.2. Habitation Experiment at Mars Desert Research Station

The Mars Desert Research Station (MDRS), owned and operated by the Mars Society, is a full-scale analog facility in Utah that supports Earth-based research in pursuit of the technology, operations, and science required for human space exploration. (http://mdrs.marssociety.org/home/about-mdrs accessed Nov. 29, 2015)

In 2013, Mars Society Japan selected the members for Team Nippon, which I served as commander. The team consisted of six crewmembers and conducted a two-week habitation experiment regarding space habitat, space food, and extravehicular activity (EVA) on Mars surface in 2014.

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Fig. 2 Crewmembers on Crew 137 at MDRS

1.3. Thermo-fluid Analysis in Habitat

The first cylinder-shaped space colony was proposed by G. O’Neill in 1974 and named “Island Three”. It measured 6.2 km in diameter and 30 km in length. It was designed for up to ten million people to live in it. The cylinder rotated 0.55 rpm to create an artificial gravity of 1 g.

The inside wall of the cylinder was divided into six equal-area sections that ran the length of the cylinder. The sections alternated between habitable land surfaces and transparent windows with three of each in total. Each window had a movable mirror installed to reflect sun light. It could artificially create days, nights, and seasons. Matsuda’s research on the space colony predicted that the temperature difference between the habitable land sections and window sections caused air to circulate by window-wind that originated from the window sections and blew towards to the land sections.

I developed a Computer Fluid Dynamics (CFD) model for the Island Three space colony using OpenFoam, an open source CFD software package. I verified and validated the numerical model and analyzed ideal environmental conditions for humans and crops by changing the heat flux from outside sunlight. The model could trace air transfer, heat transfer, and carbon dioxide diffusion under artificial gravity.

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Fig. 3 Carbon dioxide diffusion in Island Three


2. Design and Control of Space Habitat System 

We developed a design support tool and scheduling method for an Environment Control and Life Support System (ECLSS). The latest version of the tool, named SICLE (Simulator of Material Circulation Control System), was developed by Space Systems Development Corporation (SSD). Mass flow analysis of food production, food supply, and recycling of water, air, and waste was conducted using the SICLE. It can be applied to design research and control research for an ECLSS.

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Fig. 4 Snapshot of SICLE provided by SSD

3. Planetary Surface Exploration 

I developed a rover routing method using Dijkstra algorithm. I applied it to a rover routing problem on the lunar surface based on KAGUYA’s laser altitude data. In addition, we are developing a planetary surface exploration system to support extravehicular activity (EVA) on Mars’s surface based on lessons learned from results obtained from Crew 137 in 2014. The system will consist of unmanned rovers, manned rovers, crew, and reconnaissance aircraft. A part of this system will be tested by Crew 165 at MDRS in 2016
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Fig. 5 Rover route on lunar surface calculated using Dijkstra algorithm

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Fig. 6 Extravehicular activity using an All Terrain Vehicle (ATV) by Crew 137 at MDRS

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Fig. 7 Altitude and speed changes of crew expedition

 
次は宇宙システムの信頼性の話です。これは宇宙開発における信頼性のセッションでの話題の1つでした。
1990年代、NASAのゴールデン長官が、cheaper, faster, betterの政策を推進し、16実施したミッションのうち6つが失敗したということです。信頼性の面からは悪い政策の例として紹介されました。
そこで会場から質問とコメントが出ました。「いま民間に任せたロケットの打ち上げが2回失敗しているのはまさに、cheaper, faster, better政策の失敗と同じじゃないのか」会場からは笑いが起こりましたが、みなさん必ずしもそうは思っていないのではないでしょうか?イーロン・マスクのSpaceXは、安い費用で打ち上げる市場を開拓しました。多くの人が次を期待しているのだと思います。

その他には、複雑なミッションを実施するうえで、最初に予想できなかった原因により、ミッションが失敗することがある。従来の信頼性工学では、そのような失敗を避けることはできない。アポロ13号、チャレンジャー号、コロンビア号などの例を出しながらNASAの研究者が解説していました。

実際のミッションでは信頼性とコストは、リニアではなくエクスポネンシャルの関係にあるが、組織内ではコスト削減に対するプレッシャーが大きく、設計段階でどの程度の信頼性設計をするかは大きな課題だとも言っていました。

 
国際会議のレセプションで聞いた宇宙産業のある分野での面白い話です。
そのメーカー20年前はその分野でNASAの主契約企業(親)でした。国際会議でのイベントでもいつも大手スポンサーの1つでした。NASAの予算削減の中で10年ほど前にその大手企業は撤退してしまいました。その後、NASAが発注するその分野の仕事を請け負ったのが、今から20年程前に設立されたベンチャー企業(孫請け)でした(そのベンチャー企業にとっては設立10年目ぐらいのできごと)。
NASAがSBIR(Small Business Innovation Research)に力を入れている時期とも重なります。
そして現在、NASAの主契約企業は、そのベンチャー企業です。いま大手企業がNASAの仕事を取りたいと思った場合、そのベンチャー企業の傘下に入るしかないというのです。人件費の面で、大手企業は中小企業には勝てません。大手企業が儲からないからと撤退した後に、中小企業は技術力も獲得しました。20年たって、親と孫が逆転した例です。

普通は、政策責任者が自分の任期中の短期的な成果を求めて改革をして失敗するんですが、方向性が正しくて、時間をかけて実行してうまくいった事例です。この政策2~3年で成果を出そうとしたら失敗します。



 
国際的な研究チームに入り、プロジェクトが終わった後に、なんとなく誰かがFacebookやmessengerを利用した情報交換の場を作ります。やり取りはすべて英語で行われるので、私自身はあまり発言しませんが、かなり役に立っていると思うことがあります。

海外の研究者が何に興味を持っていて、どんなことが話題になっているのかが、掴めることです。英語で発信されるニュースや論文をすべてななめ読みしたりはできません。専門家が、likeと教えてくれるだけでかなり役に立ちます。

火星の専門家にとって6月の話題の1つは、2015年10月にヒューストンで行われる月惑星協会のワークショップFirst Landing Site/Exploration Zone Workshop for Human Missionsのようです。ここでどんな議論がなされるのでしょうか・・・

NASAのアナウンスメントへのリンク

以下は、USRAへのリンク画像です。



 
 1.居住環境のシミュレーション

1.1 閉鎖生態系生命維持システムの物質循環解析
 人間が宇宙で生活するために必要な酸素、食料などを人間が使用した後の廃棄物からリサイクルする閉鎖生態系生命維持システムの物質循環のダイナミックシミュレーションを大林組の協力の下、日本で初めて行った。ここで確立したモデル化法は、その後の物質循環解析や物質循環制御の研究へとつながっている。
 また、長期に宇宙に滞在する場合のテストベッドとして最先端の実験施設であった閉鎖型生態系実験施設(CEEF)のシミュレーションによる物資循環解析で15年以上にわたり貢献した。
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閉鎖型生態系実験施設(環境科学技術研究所ホームページより)

1.2 火星砂漠研究基地での居住実験
 この項目については、こちらのポスターをご覧ください。
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1.3 閉鎖空間の熱流体解析
 数値流体力学(CFD)を用いてシリンダー型スペースコロニーの大気循環(円筒座標系の熱流体解析)における窓風(窓と陸地の温度差から発生する風)の発生を解析した。これに人間による二酸化炭素の発生、植物による二酸化炭素の消費、資源の再生による二酸化炭素の発生の3つのモデルを、空間分布を考慮して組み合わせ、二酸化炭素の濃度分布を解析した。
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スペースコロニー内の二酸化炭素濃度分布

 最近では熱流体解析にOpenFoamを利用しています。詳細についてはOpenFoamの項目をご覧ください。

2.居住環境の設計と制御

2.1 閉鎖生態系生命維持システムの概念設計支援ツールの開発
 設計事例が少ない再生型生命維持システムの機能分析、シンセシス、アナリシスの一連の概念設計過程を支援する設計支援ツールを開発した。特に、概念設計の初期段階における設計者による概念構造の構築とその後のシステム合成・分析を一貫して支援する設計法の研究成果は私の学位論文となっている。現在、この研究を基に設計者と設計支援ツールのインタラクションによる設計知識の創発を促す設計支援ツールSICLE(Simulator of Material Circulation Control System)を宇宙システム開発株式会社と共同開発した。
 2014年に米国ユタ州の火星砂漠研究基地で実施した食料生産、食料供給、水・気体・廃棄物のリサイクルと再利用について、このツールを用い解析した。
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設計支援ツールSICLE (宇宙システム開発株式会社)

2.2 閉鎖生態系生命維持システムの運用スケジューリング法の開発
 閉鎖生態系生命維持システムの物質循環制御のために、ファジイ線形計画法に新しいmオペレータを導入し、従来あった最小オペレータと和オペレータの性能の欠点を改善した。
 また、閉鎖型生態系実験施設(CEEF)物質循環システムの運用スケジュール自動生成システムを開発した。制御アルゴリズムにはマルチエージェント強化学習、およびラグランジュ分解調整法を適用し、その一部は宇宙システム開発株式会社により環境科学技術研究所に納入された。ラグランジュ分解調整法では、大規模なスケジューリング問題の計算量を抑えるために分解法を採用し、さらに経験的知識を数学的解法に実装することで、計算量を抑えながらオペレータにとって自然な解を実用的な時間内で得ることに成功した。

3.惑星表面探査

3.1 人の作業を支援する惑星表面移動探査システム
 惑星表面移動探査における経路探索アルゴリズムを開発した。地理情報作成には宇宙航空研究開発機構(JAXA)の月周回衛星かぐやのレーザ高度計データを用いた。この時の成果をもとに2013年~2014年には米国火星協会のユタ州にある火星砂漠研究基地での2週間の実験に2回参加し、船外活動に関わるパラメータと制約の特定に関する調査・実験を行った。この時の経験から、移動探査にはその場での低空からの情報取集が重要であることを発見し、そのために必要な探査システムの開発を進めている。同様の研究には、宇宙航空研究開発機構(JAXA)の火星航空機やアメリカ航空宇宙局(NASA)の火星航空機や火星ヘリコプターなどの構想がある。低空からの偵察にいずれの方法を採用するかは今後の検討課題であるが、最終的にはローバの運用と低空からの偵察を含めた一体型の移動探査システムの開発を目指している。
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ダイクストラ法によって求めた探査経路
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火星砂漠研究基地でのATVを利用したEVA遠征実験
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探査経路および移動時の高度と速度の変化
 
数年前に、国際会議の論文の査読をしていた時に、このグラフどうやって書くのだろう、と思った時がありました。今回、グラフを作成しているときに、同じようなグラフが偶然書けました。

特に珍しいグラフではなく、Excelの3-Dグラフ [グラフ/等高線/3-D等高線] を、等高線グラフに変更しただけです。このようなグラフは、2つのパラメータに関して計算もしくは計測された数値の示す傾向を見たい時に利用します。ところが3Dにするとよくわからなくなります。例えば、以下のグラフです。形状によっては見えにくい部分が発生します。

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これを等高線グラフに変更したものがこちらです。形状は想像しにくくなったかもしれませんが、数値は読めるようになりました。
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別の結果のグラフです。もっと数値が読みにくいです。
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これを等高線グラフにしたものがこちらです。
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2つめのグラフの元のデータがこちらになります。
Excelで作成したシミュレーションモデルに関して、8つのパラメータを0.1刻みで増加させていき、そのうち2つのパラメータに関する計算値をセルに表示するプログラムをVBAで作成しました。この作業を手作業でやると大変ですが、プログラムで実行すると2-3秒で終わります。

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等高線グラフ、これからも使えそうですが、Z軸の設定を変更したいときは、3-Dグラフに戻す必要があるので、多少面倒です。

 
過去5年ほど地表面探査の模擬実験や計算機シミュレーションを行ってきました。
2014年に米国ユタ州の砂漠研究基地で惑星表面探査の模擬実験を行い感じたことは。
ローバは視界が限られ、もう少し高い位置から観測できたら良いのにと思ったことが何回もありました。
空からの観測と組み合わせれば、ローバの移動をより安全に、無駄なくできます。
最近、NASA JPLのマーズヘリコプターの記事を見つけました。
この中の動画は、私が実際の模擬実験で気が付いたことを、うまく説明しています。


上記ページへのリンク画像

高さ1m、質量1kg、ただし火星の大気密度を考えると、ヘリコプターが良いのかどうかはわかりません。
他には、火星航空機、火星気球などを研究しているグループもあります。

2014年の宇宙科学技術連合講演会の火星探査航空機のセッションに、1B04画像処理と測位信号による火星飛行機の自己位置推定 ○ 井上 博夏, 新井 健太郎, 高村 英雅, 小野 雅裕, 足立 修一(慶大) のような発表もありました。

海外の研究グループだと、ドローンを飛ばして、火星地表面探査における上空からの観測の研究をしているところもあります。

最近、安いカメラ付きのクアドロコプターを買って操縦していますが、ホバリングさせるだけでもトリム調整が難しい。その場観測、画像解析、経路探索まで到達するまでには、まだまだ時間がかかりそうです。





 
昨年11月に、小学1年生が企画したパラシュート松ぼっくり投げイベントに参加しました。(秋の松ぼっくり、どんぐりを使ったイベント)

パラシュート松ぼっくりは、松ぼっくりに紙で作成したパラシュートをつけた簡単なものでした。これを体育館のステージ上の台の上から投げて、できるだけ遠くまで飛ばそうというゲームです。

空気抵抗がなければ、45度に打ち上げるほうがいいのですが、今回はパラシュートがついているので空気抵抗がものすごく大きくなります。何回か投げているうちに、上方に角度をつけて打ち上げることには意味がないことがわかってきます。

打上角度をどれくらいにしたほうがよいのか計算で求めてみたいとずっと思っていました。
 ・Excelで学ぶ基礎物理学 Ohmsha の3.4 ホームランを打つには -空気抵抗のある放物運動-
 ・ke!+san 生活や実務に役立つ計算サイト 空気抵抗のある自由落下
を参考にシミュレーションしてみました。計算式の詳細は、上記の書籍を見てください。

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打上角度を何度にしたら到達距離が最大になるのか?
計算の前に必要な数字を決めなければなりません。(正確にはわからないので推測していきます)

 初速:小学生3年女子のソフトボール投げ平均11mから37km/hと逆算する
 空気抵抗係数:スカイダイビングの計算で使われる0.24を利用(実際にはもっと大きいかも)
 パラシュートつき松ぼっくりの直径:0.05m(5cm)と仮定
 パラシュートつき松ぼっくりの質量:0.05kg(50g)と仮定
 台の高さ:3mと仮定

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(散布図で描画しているため、まっすぐ落下していないような箇所がグラフにありますが、数値計算上はこのような現象はありません。30度、0度も同様です。)
打上角度:45度

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打上角度:30度

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打上角度:0度

各パラメータを実験によって求めたわけではありませんが、実際のイベントの結果に近いと思います。
 角度をつけると1.5mぐらい
 角度をつけないと2mぐらい

途中からパラシュートが開かないように投げるコツを覚えて、実際には3mぐらい飛んでいる小学生もいました。




 
12月4日(木)テレビ朝日放送
モーニングバードで「そもそも電力会社から電気を買わない生活ってどうなんだろう?」

1.神奈川県横浜市戸塚区で「節約しながら電力自給している家」
2.奈良県「電気も水も自給自足を実証実験している家」

が紹介されていました。面白かったのでつい見てしまいました。

1はソーラーパネル(12kWh)によって発電した電気をフォークリフト用のバッテリーに蓄電(70kWh)し、夫婦2人が生活している。平均的な日本人一人当たりの1日の電力消費量は3kWhであることから十分な供給量と説明されていました。(エアコンはあるが、テレビと電子レンジはないようです)

2は節電しないで暮らせるだけの電力自給設備(1日一人当たりの電力消費量は10kWhで設計)を持つ家でした。この家では井戸水を利用して、水も完全自給しているそうです。

ここで、自給自足型の居住施設ではどれくらいの電力供給量を有しているかについて調べてみました。

 ・ 国際宇宙ステーション 6人(太陽光発電) 120kW(米国)
 ・ 米国ユタ州火星砂漠研究基地(MDRS) 6人~8人 8kWh(ディーゼル発電) プロパン併用
 ・ ハワイ島IH-SEAS 6人 10kWh (太陽光発電) プロパンガスの利用は不明
 ・ 南極昭和基地 夏季60人、冬季40人 240kWh(ディーゼル発電) プロパン併用


一人当たりの電力消費量は、火星居住の実験実証施設は3kWhより少なく、南極の施設は3kWhよりも多い4kWhということがわかりました。寒いところでは暖房に、ガスヒータなどを使っているので電力だけの単純比較はできませんが・・・

また実際の宇宙居住施設である国際宇宙ステーションでは一人当たりの電力量がさらに大きいことがわかります。
生命維持や宇宙実験にはたくさん電力を消費するからでしょうか・・・

 
10月17日、ハワイ大学マノア校が管理するハワイ島マウナロア火山のHI-SEAS(Hawaii Space Exploration Analog and Simulation)で8カ月間の居住実験が始まりました。

ナショナルジオグラフィック 火星ミッション模擬実験、参加者に聞く
ニューヨークタイムズ In a Dome in Hawaii, a Mission to Mars
最新のニュースは、Facebookホームページ、Mission 3 Crewのブログにもあります。

の記事に詳しく紹介されています。

この実験に参加しているコーネル大学のジーンハンターさん(火星食品の研究)に今年の7月に詳しい話を聞きました。
ハンターさん自身は、食事研究に参加し、3秒に1回キッチンの画像を記録し、汚し具合などを観察していると言っていました。このプロジェクトの責任者のKimさんは日本で働いていたことがあり、日本語も話せるそうです。
過去に4カ月のミッションを2回実施し、今回が3回目で、8カ月の居住実験をします。次に12カ月の居住実験を実施し、終了する予定です。(NASAのグラントがそこで終了)

この実験では、「有人火星探査における人間の心理状態の変化を調査する」ことを目的の1つにしています。
これからいろんな問題が起こるんでしょうね。ミッションサポートチームのみが知ることです。
ハンターさんがいろいろ情報をくれたので、8月にミッションサポートチームに入れてほしいとお願いしたんですが、少し遅すぎたようです。

このホームページを毎日チェックしているのは、日本では私しかいません。しかし今日は、Yahoo Japanで紹介されたので、このようになっています。アクセスがすべて日本からというのは初めて見ました。

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10月16日のSPACE.COMの記事
Private Mars Colony Project May Not Be Feasible, Study Suggests
に研究グループの意見が出ています。

de Weck教授(このグループのリーダー)
・Mars Oneの計画の実現性に白黒付けていない。
・しかし、彼らの設定した条件に基づくと、実現は難しい。
・この計画が実現可能になるような重点的に取り扱うべき技術を指摘した。

もう1つ、大学院生Sydney(この論文の第一著者)の意見として大事なことが書かれています。
食料を地球から持っていく方が、現地で食料生産するよりも、いつも安い。
(これは光源にLEDを利用した場合の話です。地上では、LEDを利用した野菜工場で採算が取れるところも出てきていますが、宇宙となると、実は検討の余地もありません)
2000年ころまで、日米欧で宇宙での食料生産の研究を多くの研究者がしていましたが、最近は、本当に少なくなりました。
大規模に継続しているのは、最近始めた中国だけです。

 
10月15日付で、こんなニュースが流れていますが、ひどい記事です。
IAC論文の中には、そのような書き方はされていません。計算結果の一部が独り歩きしているような感じです。MITのこの研究グループとは知り合いですが、このニュースに書かれているようなことを意図していないと思います。

Humans may only survive 68 days on Mars
人は火星で68日間の命、米研究 (AFP BB NEWSの$4.5billionの翻訳が一桁間違っています)

一方で、この前提条件で計算すれば、66日で窒素が無くなり、システムが破たんするのは当然の結論です。

1.植物が光合成により二酸化炭素を酸素に変える。
2.人間が食物を食べて、呼吸により酸素を二酸化炭素に変える。(二酸化炭素を除去する技術はすでにある)
3.植物のうち食べられない部分(非可食部)を処理して無機物に変える。(このとき酸素を消費し、全体のバランスが取れる)

MITのモデルには非可食部を処理するプロセスがないので、人間が必要とする食料を全部現地で生産すれば、当然酸素は余ります。この余剰な酸素をベントするときに、一緒にベントされ減った窒素を注入する。すると窒素が66日で無くなる。(宇宙で空気から酸素のみを分離してベントする技術がないと論文には書かれています。地上の技術ではすでにあり、日本の実験では利用していました。)

だから、きちんと非可食部の処理プロセスを入れてあげれば、少なくともこんな短期間では破たんしません。(また別の問題が発生したりはしますが・・・)

この論文、この後にある信頼性を考えた上でのスペアパーツの計算が面白いと思うのですが、マスコミは、ここには注目しませんでした。

この米国の元の記事の報道の仕方は、以前2014年6月18日の記事で紹介した「国際宇宙ステーション・国際宇宙探査小委員会」のニュースと構図は同じです。一般の人が注目しそうな文脈の一部だけを抜き出して報道する。(文脈完全カット報道


 
火星協会年会バンケットの二人目のスピーカーは、パラゴンスペース社の社長Taber MacCallum(インスピレーション財団Chief Technical Officer)の講演でした。
連日の寝不足で、話の途中から寝てしまったのですが、大事なスライドは写真に撮りました。

当初の2018年の計画の問題点と、2021年に再設定するメリットが書かれています。
火星から地球へ帰還したときの再突入の問題(未だ経験したことのない速度)と打ち上げロケットの問題(SLSを使って1回で打ち上げできればミッションがより単純になる)が大きな要因のようです。

2018 mission plan had several big issues
  • High Entry Speed requiring new capsule design (not Orion)
  • 2 launch scenario - long on-orbit dwell for SLS upper stage
  • Dependency on commercial crew program on schedule success
  • 2018 launch date


2021 mission resolves all of these issues
  • Single launch scenario (no long on-orbit dwell)
  • Nov. 2021 launch date
  • Rare opportunity of Venus swing-by before heading to Mars
  • Mission is only 80 longer (582 days total)


このあとさらに詳細な話があったのかもしれませんが、表彰式直前まで記憶にありません。
今後、プレスリリースを頼りに情報取集していきます。


 
5月21日 IB Timesによると、中国人のボランティア3名が105日間の居住実験を完了したというニュースが流れていました。 (ブログ中の画像はすべて外部サイトへのリンクです。)



施設「月宮一号(Yuegong-1)」は北京の北京航空航天大学にあり、 モジュールの容積は500 m3でキャビン、2つの植物栽培室からなる。

キャビン 14 x 3 x 2.5 = 105 m3
植物栽培室I・II 10 x 6 x 3.5 = 210 m3

キャビンは個室(単語から類推すると)、共有スペース、バスルーム、廃棄物処理室、昆虫飼育室からなる。

2つの植物栽培室は異なる温度と湿度に制御され、5種類の穀物、15種類の野菜(大豆、ピーナツ、ピーマンもしくは唐辛子、ニンジン、トマト、コリアンダーなど)、1種類のフルーツが栽培され、ゴミムシダマシの幼虫が飼育されて、食料を供給したようです。写真を見ると植物栽培にはLEDを利用しています。



世界で最先端の生物再生型生命維持システムの1つと書いてあります。
世界で3番目の、中国初の施設だとも書いてありました。
(1番目はソ連だったとしても2番目はどこなのか?米国、日本、欧州にも施設はあったのだが)
生物再生型生命維持システムは、人間が出した排水や二酸化炭素を利用して植物を育て、植物が生産した酸素を人間が利用します。

2004年に26人の科学者で研究を開始し、10年かけてここまで到達したようです。
この研究グループには2008年にモントリオール、2010年にはブレーメンで会っていて、生物再生型生命維持システムの構築を目指しているのは知っていましたが、ここまで到達しているとは知りませんでした。
別の記事には、ここに到達するまでに使用した資金は約3百万ドルと書いてあったので、先進国の10分の1ぐらいの金額しか使用していません。

食料生産については、どのくらい自給できたのか、実際の数字を見て判断する必要があります(食料生産に必要な面積や人手を考えると、そんな簡単にはできない)。

いま、生物再生型の研究を継続して?やっているのは中国だけです。

1990年代は日米欧が競って生物再生型の研究を進めていましたが、大規模な全体施設を用いて継続している国はありません。なぜなのか、その理由を考える必要があります。

この研究で、唯一新しいことは、タンパク質補給のために、昆虫を施設内で育てて食べたことです。ただ単に昆虫を食べただけではなく、再生系に昆虫を組み込んだことは今まで他の国がやっていないことだと思います。

今回、様々な関連ニュースを読んでいて気が付いたのは、宇宙先進国から見たら実験の内容に目新しさはないのに、注目されているのは、世界第2位の経済大国中国がやっていて、本当に将来月面基地を作る可能性が高いからだと思います。



 
 宇宙兄弟関連で記事を書こうと思っていました。テーマを何にしようかずっと考えてきて、アナログミッション&フィールドテストにすることにしました。アナログミッションとは、NEEMO(16巻)やDESERT RATS(16~18巻)のことです。19巻ではAltair、STITCH(おそらくATHLETE(All-Terrain Hex-Limbed Extra-Terrestrial Explorer )のこと)の話題もあります。

 さて、地上実験用のアナログサイトとしては、NASAがフィールドテストを行っている上記2つ以外にも、火星協会が有するMars Desert Research Station(MDRS)Flashline Mars Arctic Research Station(FMARS)があります。
 その他にも最近ではHawaii Space Exploration Analog and Simulation (HI-SEAS)(NASA Human Research Program)があります。今回、国際環境システム会議のポスターセッションでもハワイ大学の学生が発表していました。

 そしてついに7月27日に、MDRSの運営者から2013-2014フィールドシーズンの応募が開始されました。現在、日本隊(Team Japan(仮称))、および私はこのアナログ実験の参加に向けて準備しています。私自身は、コロラド大学ボルダー校での研究テーマの1つを、MDRSでの居住実験に設定し準備を開始しています。

 今後の記事では、いままで調査してきたアナログサイトについて順番に報告していきます。次回は、私の最近の研究でよく参照しているDesert RATSについて報告の予定です。






 
物質循環制御システム研究開発用シミュレータ SImulator for Closed Life and Ecology (SICLE) 宇宙システム開発株式会社

 SICLEは、設計・実行・結果分析までを一貫して実施できるため、シミュレーションの状態をいつでも確認・把握可能な構成となっている。 まず、システム設計画面でアイテムを左のアイコン一覧から選択し、中央部分の作成フィールドに配置してシステム設計を行っていくと共に各アイテムのパラメータ設定を行う。その際にアイテム間を線で結ぶことにより物質循環の流れを設定でき、入出力物質の接続可否チェックも同時に行われる。

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システム設計画面
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サブシステム内の物質量表示画面
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結果確認画面


 
AlsScheduler ― 先端生命維持システムのシミュレーション&スケジューリングツール ―

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CEEF設計支援ツール 


成果の一部が伊藤忠テクノソリューソンズ株式会社のホームページで紹介されています。



再生型生命維持規模解析ツール

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システムをデザインする画面



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コスト計算結果
開放型、ISS型、閉鎖型の再生型生命維持システムのESMコスト比較を行っている


検討結果の例については、こちらをご覧ください。

 

・ テクニカルコンピューティング言語 Matlab The MathWorks

・ ダイナミックシステムのモデリング、シミュレーション及び解析 Simulink The MathWorks

・ 離散系・連続系統合型の汎用シミュレーションソフトウェア WITNESS 英国Lanner Group Ltd.

・ 数理計画法パッケージ NUOPT 株式会社数理システム

・ 開発環境 Visual Studio 2008 Microsoft

・ 統合開発環境 eclipse



 
学生のころからC言語で、様々な数値計算や最適化のプログラムを作成していました。
論文を書くためだけであれば開発したソフトウエアをビジュアル化する必要はなかったのかもしれませんが、2006年ごろに、ふと数値計算や最適化のWindowsアプリケーションを開発したくなりました。
その頃、Windowsプログラミングといえば、MFCライブラリに関する解説書が多くある中、
まだまだ十分な情報はありませんでしたがVisual C++ 2005を利用したC++/CLIを利用したソフトウエアの開発を始めました。

見た目を確認しながらWindowsアプリケーションを作成できるようになり、Visual C++で開発する際のハードルが低くなっています。(Microsoft Visual C++2005アプリケーション開発入門、日経BPソフト)

しかし、最初のころは情報不足でかなり苦労しました。

・明快入門Visual C++2005ビギナー編、林晴比古、SoftBank Creative
・明快入門Visual C++2005シニア編、林晴比古、SoftBank Creative
・速攻解決逆引きハンドブックVisual C++、日向俊二、ソシム

が非常に役に立ちましたが、書籍を探しても、インターネット上を探してもVisualBasic、VisualC#の情報ばかりでなかなか有益な情報に出会えませんでした。

いくつか非常に参考になったサイトを挙げると

VisualC++の勉強部屋
画像処理ソリューション

が非常に役に立ちました。
言語としてはいくつか選択肢がある中で、過去のC言語プログラムを有効に利用しながら、パソコン上で比較的大規模な数値計算を、操作や結果表示をビジュアル化して行う手段としてVisual C++を利用しています。

過去の開発事例は、カテゴリの研究・開発をご覧ください。



 
[宇宙居住]

Space Settlements

Mars Or Bust: A Mars Surface Habitat Design for ASEN 5158

International Space Station maintenance

TRACLabs Inc

International Space Station Timelines

International Space Station Flight Schedule

SF資料研究会

Introduction to PERMANENT

・大阪教育大学天文学研究室福江純ホームページ

・田部勝也 私設研究室 遠心力に由来する疑似重力発生システム内での物体の運動について

SPACE RESOURCES and SPACE SETTLEMENTS, NASA SP-428

ガラス窓よりの熱還流計算 AIR-CON MAN

野尻ボード

ガス拡散解析

天文月報, 1992

気象学研究室 横浜国立大学


[アナログサイト]

Desert Research and Technology Studies

MOON DAILY

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