宇宙食 – 人類の次なる開拓者たちにどう食料を供給するか？

新たな宇宙探査の形

月面着陸後の数十年にわたる停滞を経て、新たな宇宙競争が加熱しています。そのきっかけは、SpaceXが再利用ロケットを開発し、軌道への打ち上げコストを桁違いに削減したという驚異的な成功でした。最新の打ち上げ機体であるStarshipのテストが進むにつれ、コストはさらに低減する見込みです。

出典: Visual Capitalist

SpaceXは最も印象的な宇宙企業かもしれませんが、その後を追う企業は多数あり、民間・政府系のさまざまな中国のロケット企業も含まれます。

同時に、NASAとそのパートナーは月へ再び戻り、永続的な基地を設置する計画を立てており、中国やロシアも同様の野望を抱いています。今後10年で、SpaceXは人類初の火星歩行を目指す予定です。

したがって、今後数十年で宇宙探査の黄金時代以来、これまで以上に多くの宇宙飛行士が登場することはほぼ確実です。1960年代とは異なり、彼らは月への数日間の旅行や低軌道ステーションに滞在するだけでなく、遠隔の居住施設で宇宙生活を送ることになります。

これは、より多くの人々が、より遠くへ、特に火星の場合は数か月の旅路を経て到達することを意味します。これに伴い、費用のかかる消耗品を供給する必要が生じます。そのため、宇宙飛行士への供給経済は、現地で必要なものを生産する方向へ傾きます。3Dプリンティングは予備部品の提供で大きな役割を果たすでしょう。そして食料は少なくとも一部は現地で栽培する必要があります。

コスト面だけでなく、現地で新鮮な食料を栽培することは、質の高いビタミンCや抗酸化物質を含む食品を提供し、宇宙線や太陽嵐からの放射線リスクを低減することで、宇宙飛行士の健康維持にも寄与します。

宇宙食プロトタイプ

これは新しい概念ではなく、NASAや他の宇宙機関は数十年にわたりこのアイデアを研究してきました。しかし、国際宇宙ステーション（ISS）のスペース不足のため、現在までに試験的プロジェクトとプロトタイプのみがテストされており、宇宙で大量の食料を生産する具体的な計画はありません。

テスト済みコンセプト #1：エアロニクス植物栽培

土壌や水を使わずに植物を育てるエアロニクスは、液体や粉塵がショートや火災の原因となり得る無重量環境、例えば宇宙ステーションに特に適した手法です。エアロニクスの仕組みや地球での実例については、当記事「エアロニクス – 必要なすべての情報」をご覧ください。

エアロニクスは、限られたスペースと短時間で新鮮な作物を効率的に育てられるため、火星への宇宙船や軌道上ステーションの狭い環境に最適です。

また、エネルギー密度の高い根菜、例えばジャガイモなども栽培でき、穀物と違い複雑な調理を必要とせずに食べられます。

プロトタイプはすでにISSでeXposed Root On‑Orbit Test System (XROOTS) 技術デモプログラムの下でテストされています。

出典: NASA

同様のシステムは、推進方式に応じて6〜18か月かかる火星への長期旅行などで、宇宙飛行士のために新鮮な作物を栽培できる可能性があります。これには、以前にテストされたVeggie（野菜生産システム）、Veggie PONDS、Plant Habitat-04（PH-04）などが含まれ、PH-04はレタス3種、中華白菜、ミズナ、赤ロシアケール、ジニア花、小麦、ピーマンなど多様な植物の栽培に成功しています。

テスト済みコンセプト #2：カプセル内微生物

Biological Research in Canisters（BRIC）は、酵母や微生物など、ペトリ皿で培養できるほど小さな生物に対する宇宙環境の影響を調査するプログラムでした。しかし、この培養方法は、地球からエネルギー豊富な基質を持ち込み、食用に変換する必要があります。

最新バージョンは更新版の BRIC-LEDで、光合成が必要な植物、コケ、藻類、シアノバクテリアなどを支えるためにLED（発光ダイオード）を追加しています。このLEDランプは太陽光パネルや原子力炉で電力供給でき（エアロニクスで使用されるものと類似）、現地での食料栽培を可能にします。

テスト済みコンセプト #3：インフレータブル宇宙温室

NASAは、アリゾナ大学の制御環境農業センターがテストした、長さ18フィート、幅7フィート、直径3インチのインフレータブル水耕温室コンセプトも開発しています。

出典: Inside Hook

インフレータブル温室は水耕栽培の原理に基づいており、詳細は当専用記事「水耕栽培 – 必要なすべての情報」で学べます。

コロニーの初期段階では、折りたたみ式またはインフレータブルの温室が、輸送船の質量とスペースを節約する有力な選択肢となるでしょう。

将来の宇宙食システム

宇宙での食料栽培は環境に応じて区別する必要があり、主に宇宙ステーション／宇宙船、月基地、火星基地の3つのシナリオが考えられます。

これにより、各環境での食料システムの可能性を形作る独自の制約が生まれます。

軌道・深宇宙

スペースと重量の制約（重い船は燃料を浪費する）から、宇宙船やステーションが全ての食料を栽培することは現実的ではありません。クルーは地球軌道上で補給を受ける可能性が高いですが、葉物野菜や微細藻類など限られた新鮮食料を栽培することは可能です。

微細藻類は、火星へ向かう船の乗組員を保護する最適手段が厚い水層であることが判明した場合、特に興味深いです（推定では、宇宙線や一時的な太陽嵐から乗組員を守るために1メートル深さの水層が必要とされています）。

したがって、火星軌道上のすべての宇宙船やステーションが大量の水を用いた放射線シェルタールームを備える可能性があり、その水を食料栽培にも利用するのは理にかなっています。

このようなシステムは既に実験室で広く理解・利用されており、BRIC-LEDのようなプロジェクトは宇宙・無重量環境への適応方法を示しています。

出典: MDPI

さらに、限られた空気供給は大規模なリサイクルを必要とし、酸素生成植物や藻類がその補助になるでしょう。

月基地

近地球からプレハブモジュールや3D印刷用素材を持ち込める可能性により、スペースの問題は大幅に緩和されます。また、月には現地で利用可能な水が存在すると期待されており、栽培開始に際して大量の液体や肥料を持ち込む必要はありません。

これにより、人口が数百から数千規模であれば、完全自律型月基地の構想が実現可能になります。

また、火星で後に必要となるすべての食料生産手法の試験場としても最適です。もし作物全体が失敗した場合でも、地球から3日で緊急食料を補給できるため問題ありません。

しかし、月は特有の課題があります。夜が非常に長く続くため、自然光に依存したドーム型温室は不可能です。同様の理由で、太陽光パネルではなく原子力炉が電力供給に必要になるでしょう。

さらに大気が全くないため、無料のCO2供給や余剰酸素のバランス調整ができず、月の食料システムは完全な閉鎖ループでなければなりません。

しかし、月には地球の1/6の重力があるため、エアロニクスよりも労力が少ない水耕栽培やアクアポニックスが作物や肉の供給に有効です。アクアポニックスが水産養殖と水耕栽培を同一システムで組み合わせる方法については、当記事「アクアポニックス – 必要なすべての情報」をご覧ください。

月面農業シナリオ

新鮮な作物は現地で栽培され、宇宙飛行士にビタミンと精神的な励ましを提供するでしょう。

まだカロリー（タンパク質と炭水化物）の大部分が何になるかは不明です。最終的には経済性が、月面居住者の食料を部分的に生産するか、全て現地で生産するかを決定します。

• もし大量に地球から輸送する方が、巨大な栽培施設を建設するよりも安価であれば、月では新鮮作物のみが栽培されます。
• あるいは、費用が過度に高くなる場合は、半自動化エアロニクスによるジャガイモ、豆類、穀物の農場が月基地の運用コスト削減に有効となるでしょう。

火星基地

火星は地球から非常に遠く、現地での食料生産は経済的必然であると同時に、リスク軽減策でもあります。

この点は、アンディ・ウィアの小説『オデッセイ』（後にマット・デイモン主演の映画化）で見事に描かれています。遭難した宇宙飛行士が生き延びるために即席のジャガイモ栽培に頼る様子が描かれ、彼が直面する最大の危険は放射線や酸素欠乏、寒さではなく、飢餓です。

出典: Modern Farmer

火星基地の目的は月と異なり、最終的には本格的な植民を目指します。数百人規模の宇宙飛行士を地球から高コストで維持できても、数万人や数百万人規模は不可能です。

したがって、火星は食料生産を完全に自律させる必要があります。

月と同様に、大規模な水耕栽培やアクアポニックスが可能です。また、火星は大気があり、1日がほぼ24時間であるため、表面温室を建設し、薄い大気から植物が必要とするCO2を回収しつつ、氷を採掘して水を得ることも可能です。

さらに、火星にも地球同様にリン、窒素、カリウムといった肥料成分の局所埋蔵があり、採掘して集中的農業に利用できる可能性が高いです。

これらの温室は加温・施肥・気密が必要ですが、はるかに効率的で耐久性があり、エネルギー消費も抑えた農業手法を提供します。

火星を肥沃にする

火星農業では、ハイドロポニックよりも機械設備が少なく済む土壌直接栽培が有利になる可能性があります。これにより、機材・労働・資源を他の用途に転用できます。

解決すべき課題の一つは、火星の土壌（レゴリス）が過酸化水素（H2O2）を多く含むことです。この強酸化性化学物質は、特に火星上の濃度では植物や細菌を死滅させます。

幸いにも、過酸化水素は酸素生成にも利用でき、Perseveranceローバーでテストされた火星酸素原位資源利用実験（MOXIE）により実証されています。したがって、将来のミッションでレゴリスを「採掘」し、宇宙飛行士用酸素やロケット燃料として利用することが容易に想像できます。

そして、過酸化物を除去した処理済みレゴリスを使用すれば、温室用の肥沃な土壌に変えることができます。

別の選択肢として、小さなクレーター上に人工的な池を作り、藻類や淡水貝、魚類がほとんど手入れ不要で「自然」に育つように、温室ドームを温めて気密に保つ方法があります。

その他の宇宙食技術

これまで、エアロニクス、水耕栽培、アクアポニックス、密閉温室による食料栽培について主に議論してきましたが、他の選択肢も検討されています。その一つが合成食です。

2021年に中国の科学者たちがCO2から人工的に細胞フリーでデンプン（C6H10O5）を合成する初の手法を開発しました。デンプンは米、トウモロコシ、小麦などの穀物の主要なカロリー源であるため、注目に値します。なお、火星の大気は95％がCO2です。

出典: Science.org

このシステムはジルコニウム系触媒を使用し、トウモロコシでのデンプン合成に比べ約8.5倍の合成速度を実現しました。

したがって、空気中から連続的にデンプンを合成する統合自動モジュールを想像でき、これが動物飼料や人間の主食に必要なカロリーの大部分を供給し、従来の農業は高品質でビタミン豊富な食品に特化できるでしょう。

いずれにせよ、宇宙飛行士が火星に着陸する前に、現地で大量のカロリー備蓄を自律的に作り出し、『オデッセイ』のような事態を回避できると考えられます。

他にも、たんぱく質を含む合成食（下記Solar FoodsのSolein参照）や培養肉、あるいは2022年にISSでテストされた菌類ベースの肉を製造するNature’s Fyndなどの代替肉があります。

宇宙食企業

1. Aleph Farms

Aleph FarmはRakiaミッション中にISSで微小重力下で初めて培養肉（ステーキ）の成長実験に成功しました。宇宙植民の初期段階では家畜飼育が不可能になる可能性が高く、肉はこのような培養手法でのみ生産されるでしょう。

微小重力でのプロセスをすでにテスト済みであるため、Aleph Farmsは宇宙食市場の他の培養肉企業より先行しています。イスラエルは同社の肉製品の商業化を2024年に承認しました。

同社は無臭コラーゲンの製造にも取り組んでおり、これは食品、化粧品、医療製品の重要な成分です。

2. Solar Foods

この企業は「空気中から食料を生産する」ことを目指しています。2023年末に800万ユーロを調達し、この目標に取り組んでいます。

この概念は、電気で水を酸素と水素に分解し、水素と大気中のCO2、ミネラル栄養素を利用して微生物に餌を与え、70％たんぱく質からなる乾燥粉末を生成させることです。

Soleinブランドで商品化されたこのたんぱく質源は、必須アミノ酸9種すべてを含み、他の原料に混ぜ込むことで非常に高密度な栄養源となります。

出典: Solar Foods

同社は宇宙探査市場を明確にターゲットにしていますが、長期的にはエネルギーをたんぱく質に非常に効率的に変換するたんぱく質源として、地球上の食料生産を革命的に変える可能性も見込んでいます。

「微生物に対しては、植物に餌を与えるように供給しますが、水や肥料の代わりに空気と電気だけを使用します。現在のプロセスでは、光合成の20倍、肉の200倍の効率です。」

Solar Foodsは2022年9月にシンガポール食品庁（SFA）からSoleinの初の新規食品としての承認を受けました。

宇宙食への適応

歴史を通じて、食料栽培と栄養は環境に適応せざるを得ませんでした。アジアの段々畑で米を栽培する農民から、ほぼ肉食に依存するイヌイットまで、例は多岐にわたります。

宇宙も例外ではなく、自然の肥沃さや野生生態系が全く存在しないという独自の特徴があります。したがって、宇宙での食料生産は、完全に人間がゼロから設計した機械やエコシステムに依存することになります。

合成食やエアロニクスのような極めてコンパクトで効率的なシステムが、宇宙船や大気のない月といった最も過酷な環境で主導的になるでしょう。

火星のような惑星では、従来の農業に近い形が可能になるかもしれません。自然光はLED照明と組み合わせ、気密で加温された温室内で超効率的な農業システムが機能します。

宇宙技術と同様に、この概念は地球にも大きな影響を与える可能性があります。私たちの日常生活は、水フィルター、マイクロチップ、コードレスツール、傷防止レンズ、煙探知機など、当初は宇宙向けに開発された技術をすでに利用しています。

数十年後には、合成デンプン・たんぱく質、自動化エアロニクス農場、砂漠や北極地域に展開できる超効率的温室がこのリストに加わる可能性があります。