JP2014530595A - 現地資源活用を通じて火星における有人宇宙ミッションを維持するために有用な資材を生産するプロセス - Google Patents

Abstract

火星における有人宇宙ミッションを維持するために有用な資材を生産するプロセス、および当該プロセスを実施する材料と装置のキットが記載されている。当該プロセスは、原料として現地調達可能な天然資源（すなわち火星の大気と表土）を用いる。当該キットは、火星の土壌に用いられる全ての材料と装置を提供することにより、本発明に係るプロセスを実現する。【選択図】なし

Description

本発明は、火星における有人宇宙ミッションの維持に有用な資材を生産するために、火星で入手可能な天然資源を活用するプロセスに関する。また、本発明は、当該プロセスを実施するための材料と装置のキットに関する。

今後４０年以内における小惑星、月、および火星での有人ミッションへの着手が、ＮＡＳＡの関心事であることはよく知られている。特に最近ＮＡＳＡは、２０２０年までの月、および２０３０年以降の火星へのミッションを発表した。

具体的には、現在の宇宙探査プログラムの枠組みで、ＩＳＲＵ（In-Situ Resource Utilization：現地資源活用）、およびＩＳＦＲ（In-Situ Fabrication and Repair：現地生産修復）がよく知られている。ＩＳＲＵは、月、火星、および／または小惑星において既に利用可能な資源の使用に関係する。ＩＳＦＲは、生産保守、および修復技術の開発への取り組みに関し、さらに長い有人ミッション期間、およびコスト削減を可能にしようとするものである。

そのような構想の中で、宇宙飛行士により生み出される液体、および固体廃棄物を再利用することにより食料と水を生産する新たな技術が開発されている。これらの技術は、再生可能な資源からのエネルギー生産だけでなく、例えば火星の大気を構成する二酸化炭素の捕捉、および再利用を伴うものでもある。

上記の目標に鑑みると、国際宇宙ステーション（ＩＳＳ）のために行なわれる研究活動の構想において、一般にＥＣＬＳＳ（環境制御生命維持システム）の名で括られる技術が開発されている（非特許文献１を参照）。

現行のＥＣＬＳＳシステムは、完全に自立維持的ではなく、宇宙飛行士の要求を満たすために、酸素、食料、および水の外部入力を要する。１９８８年から、ＥＣＬＳＳの理論的枠組みを実践に供給することを狙いとして、ＥＳＡ（欧州宇宙機関）は、ＭＥＬＩＳＳＡ（マイクロ生態系生命維持システム代替案）プロジェクトに参加している。ＭＥＬＩＳＳＡプロジェクトは、月と火星における長期常駐型のミッションの間、乗組員の生存と作業を可能にする適当な条件を乗員室内に作り出すための閉ループプロセス（すなわち、乗組員が必要とする全ての資材を、廃棄物とエネルギーの再利用のみを通じて生産すること）の実現を目的としている（非特許文献２を参照）。

ＭＥＬＩＳＳＡプロジェクトの究極の目標は自立維持系の達成であるが、現在の技術では、廃棄物の再利用を通じて乗組員が必要とする１００％の酸素と２０％の食料を得るという最小限の目標すら達成不可能とのシミュレーション結果が得られている（非特許文献３を参照）。

国際公開第２０１２／０１４７１４号公報 米国特許第８５８９０４号公報

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したがって、水、酸素、推進剤、肥料、可食バイオマス、野菜などの物質を、火星の資源から得るための新たなプロセスが必要とされている。当該プロセスを現在のＥＣＬＳＳ技術と相乗的に運用することにより、現在の技術について前述した短所を克服する自己維持型あるいは閉ループ型の系の開発が可能となる。

上記の目的は、酸素、水、一酸化炭素、アンモニア、窒素肥料、および可食バイオマスを、現地調達可能な資源の使用を通じて火星の土壌上で生産するプロセスによって達成される。当該プロセスは、酸素、水、一酸化炭素、アンモニア、および窒素肥料を生産する化学物理セクションと、可食バイオマスを生産する生物セクションの２つのセクションを備えている。
前記化学物理セクションは、
屋内で動作するプラントユニットを収容する少なくとも１つのジオデシックドームを、火星の表面に組み立てるステップ（ａ）と、
前記少なくとも１つのドーム内を加熱し、前記プラントユニットのプラントに給電するために必要なエネルギーを生成する屋外光発電パネルを組み立てるステップ（ｂ）と、
可変温度吸着ユニット（温度スイング吸着装置ＴＳＡ）と固体除湿装置（水蒸気吸着リアクタＷＡＶＡＲ）を、屋外に組み立てるステップ（ｃ）と、
加圧した火星のＣＯ_２を、前記少なくとも１つのドーム内に、ＴＳＡを介して、内圧が０．８バール以上になるまで吹き込むステップ（ｄ）と、
前記光発電パネルにより給電された加熱システムによって、前記少なくとも１つのドームの内部を、温度が１０℃以上になるまで加熱するステップ（ｅ）と、
屋外で動作するプラントユニットを機械的に保護する構造物を組み立てるステップ（ｆ）と、
少なくとも１つのドーム内に、肥料を生産するプラントユニットを配置するステップ（ｇ）と、
大気水を抽出するために、火星の大気からなるガスを、屋外で機能するＷＡＶＡＲユニットに供給するステップ（ｈ）と、
火星の表土を掘削し、吸着水と鉱物の水和水をマイクロ波によって抽出するＭＰＯ（マイクロ波ピザオーブン）と名付けられた屋内システムに供給するステップ（ｉ）と、
火星の大気から抽出した水を貯蔵タンクに供給するステップ（ｊ）と、
表土から抽出した水を、π１、π２、およびπ３と名付けられた３つのストリームに分割するステップ（ｋ）と、
水ストリームπ１を屋内で動作する電解槽に供給して、Ｈ_２とＯ_２の２つの別ストリームを作り出すステップ（ｌ）と、
ゼオライト材料の可変温度吸脱着サイクルにより、ユニットＷＡＶＡＲから出る脱水大気を、ＣＯ_２を分離し加圧するシステムＴＳＡに供給し、同時に実質的にＮ_２とＡｒからなる第２のガスストリームを生成するステップ（ｍ）と、
分離し加圧したＣＯ_２を電気分解装置に供給して、Ｏ_２、および船外活動用の推進剤として蓄積され使用されるＣＯとＣＯ_２の混合物からなるガスストリームを生成するステップ（ｎ）と、
電気合成によって気体アンモニア（ＮＨ_３）を生成するととともに当該ＮＨ_３を生成する反応プロセス中に不活性なＡｒのストリームを生成できるようにするリアクタ内に、ＴＳＡから分離された実質的にＮ_２とＡｒからなる前記第２のガスストリームを、水の電気分解によって生成されたＨ_２とともに供給するステップ（ｏ）と、
生成された前記ＮＨ_３のストリームをθ１とθ２と名付けられた２つのストリームに分割するステップ（ｐ）と、
オストワルト法に基づいて動作し、硝酸（ＨＮＯ_３）と主にＡｒからなる排気ガスとを生成するユニットに、前記電気合成ステップ（ｏ）から出るＡｒのストリームを、前記ステップ（ｐ）における前記ＮＨ_３のストリームθ１、前記ステップ（ｌ）により生成された前記酸素、および前記ステップ（ｋ）によって生成された前記水のストリームπ２とともに供給するステップ（ｑ）と、
生成された前記ＨＮＯ_３のストリームを、ρ１およびρ２と名付けられた２つのストリームに分割するステップ（ｒ）と、
前記ステップ（ｐ）により生成された前記ＮＨ_３のストリームθ２を、さらにθ２’およびθ２”と名付けられたストリームに分割するステップ（ｓ）と、
前記ストリームθ２’を、船外活動用の推進剤として、または水栽培で肥料として使用されるＮＨ_３を汲み出す貯蔵タンクに供給するステップ（ｔ）と、
肥料として使用される硝酸アンモニウム（ＮＨ_４ＮＯ_３）の生成を可能にする吸収および中和用のリアクタ内に、前記ＨＮＯ_３のストリームρ１を、前記ステップ（ｓ）によって生成された前記ＮＨ_３のストリームθ２”とともに供給するステップ（ｕ）と、
を備えている。
前記生物セクションは、
屋内で動作するプラントユニットを収容する少なくとも１つのジオデシックドームを、火星の表面に組み立てるステップ（ａ’）と、
前記少なくとも１つのドーム内で加熱し、前記プラントユニットのプラントに給電するために必要なエネルギーを生成する屋外光発電パネルを組み立てるステップ（ｂ’）と、
可変温度吸着ユニット（温度スイング吸着装置ＴＳＡ）と固体除湿装置（水蒸気吸着リアクタＷＡＶＡＲ）を、屋外に組み立てるステップ（ｃ’）と、
加圧した火星のＣＯ_２を、前記少なくとも１つのドーム内に、ＴＳＡを介して、内圧が０．８バール以上になるまで吹き込むステップ（ｄ’）と、
前記光発電パネルにより給電された加熱システムによって、前記少なくとも１つのドームの内部を、温度が１０℃以上になるまで加熱するステップ（ｅ’）と、
火星の表土を掘削し、吸着水と鉱物の水和水をマイクロ波によって抽出するＭＰＯ（マイクロ波ピザオーブン）と名付けられた屋内システムに供給するステップ（ｆ’）と、
生成された水と、前記化学物理セクションで生成された適量の硝酸とを混合するステップ（ｇ’）と、
前記ステップ（ｆ’）によって生成された脱水表土を、τ_１’およびτ_２’と名付けられた２つの固体ストリームに分割するステップ（ｈ’）と、
微量栄養素と主栄養素を固相から液相に変換するための浸出リアクタに、前記ステップ（ｇ’）で前記硝酸と混合されて生成された前記水を、前記表土の固体ストリームτ_１’とともに供給するステップ（ｉ’）と、
浸出リアクタから出る固体と液体（スラリ）の混合物を濾過システムに供給し、「培養ブロス」と名付けられた微量栄養素および主要栄養素に富む液体から、「浸出表土」と名付けられた固体を分離するステップ（ｊ’）と、
ゼオライト材料の可変温度吸脱着サイクルに基づいてＣＯ_２を分離し加圧するＴＳＡユニットに火星の大気を供給し、同時に実質的にＮ_２とＡｒからなる第２のガスストリームを生成するステップ（ｋ’）と、
ミッション中に科学的目的のために行なわれるサンプリングステップで使用される分析装置のバッファガスとして前記ステップ（ｋ’）によって生成されたＮ_２とＡｒを取り出し可能な容器に、前記第２のガスストリームを蓄積するステップ（ｌ’）と、
地球から運ばれた適当な藻種の接種材料を調製するステップ（ｍ’）と、
藻の成長を促進するために使用される少なくとも１つの光バイオリアクタ内に、前記ステップ（ｊ’）によって生成された前記「培養ブロス」を、前記ステップ（ｋ’）によって生成された前記ＣＯ_２の加圧ストリーム、前記化学物理セクションで生成された前記ＨＮＯ_３、および前記ステップ（ｍ’）によって生成された前記接種材料とともに供給するステップ（ｎ’）と、
前記光バイオリアクタ内に供給された成分の適当な混合と、「生物スラリ」と名付けられた藻類と培養基の混合物の十分な循環とを可能にするハイドロニューマティックポンプ（エアリフト）を利用したシステムによって、液相のＣＯ_２吸収を行なうステップ（ｏ’）と、
光合成を促進できる光源に前記少なくとも１つの光バイオリアクタを曝し、その結果として新しい光合成藻類バイオマスと酸素を形成するステップ（ｐ’）と、
前記藻類バイオマスを遠心分離によって前記培養ブロスから分離し、脱気によって酸素から分離するステップ（ｑ’）と、
ＥＣＬＳＳセクション（環境制御生命維持システム）に供給された酸素を封止および加圧されたタンクに蓄積し、さらに食物、または栄養補助食品として使用するために藻類バイオマスを脱水するステップ（ｒ’）と、
食物の栽培場が育ったドーム内に、前記ステップｑ’）で消費された前記培養ブロスを、前記化学物理セクションで生成された前記硝酸アンモニウム（ＮＨ_４ＮＯ_３）、前記ステップ（ｊ’）によって生成された前記浸出表土、地球から運んだ適量の腐植土とフルボ酸、および人間代謝廃棄物とともに輸送するステップ（ｓ’）と、
を備えている。

別態様として、本発明は、上記のプロセスを実施するための材料と装置のキットに関する。当該キットは、化学物理グループと、生物グループとを備えている。
前記化学物理グループは、
プロセスの化学物理セクションで使用される様々なユニットを収容する少なくとも１つのジオデシックドームと、
少なくとも１つのドーム内の大気を加熱し、後述するプラントユニットを機能させるエネルギーを生成する少なくとも１つの光発電パネルと、
可変温度の吸脱着サイクルを実行可能にするために、ゼオライトからなる少なくとも１つの吸着床と、火星の自然環境との熱交換を保証する機能を有する少なくとも１つのラジエータと、を備えており、ＣＯ_２を火星の大気ガス（主に、Ｎ_２とＡｒ）の他の成分から分離し、分離したＣＯ_２を加圧し、同じ圧力のＣＯ_２を少なくとも１つのドームに吹き込む少なくとも１つのＴＳＡユニットと、
ゼオライトの使用と吸着プロセスとその後のマイクロ波による脱着に基づいて、火星の大気中にある水を抽出する少なくとも１つのＷＡＶＡＲユニットと、
火星の大気から抽出した水を貯蔵する少なくとも１つの貯蔵タンクと、
火星の表土を掘削する少なくとも１つの掘削機と、
掘削された表土を、当該表土を処理するユニットに供給する少なくとも１つのコンベヤベルトと、
マイクロ波加熱を使用して火星の表土から吸着した水和水を抽出する少なくとも１つのマグネトロンを備えている少なくとも１つのＭＰＯユニットと、
表土から抽出した水をπ１、π２、およびπ３と名付けられた３つのストリームに分割する３つの出口を有する少なくとも１つのパイプコネクタと、
ストリームπ１の水を電気分解し、水素と酸素を生成する少なくとも１つの電解槽と、
ＣＯ_２を電気分解し、分離したＯ_２と、ＣＯおよびＣＯ_２の混合物とを得る少なくとも１つの電解槽と、
固体電解質（固体酸化物燃料電池）を備える少なくとも１つの電気合成リアクタからなり、ＴＳＡユニット内に生成された高含有率のＮ_２とＡｒ、および水の電気分解によって得られた水素とを含むガスから、アンモニアを生成する少なくとも１つのユニットと、
生成されたアンモニアのストリームをθ１およびθ２と名付けられた２つのストリームに分割する「Ｔ」コネクタからなる少なくとも１つのユニットと、
少なくとも１つの触媒リアクタ、少なくとも１つの吸収塔、および「ＮＯｘ」を分離する少なくとも１つのシステムを含んでおり、Ａｒ、ＮＨ_３、Ｈ_２Ｏ、Ｏ_２からオストワルト法によって硝酸（ＨＮＯ_３）を生成する少なくとも１つのユニットと、
生成された硝酸（ＨＮＯ_３）のストリームを、ρ１およびρ２と名付けられた２つのストリームに分割する「Ｔ」コネクタからなる少なくとも１つのユニットと、
ストリームθ２をθ２’およびθ２”と名付けられた２つのストリームに分割する「Ｔ」コネクタからなる少なくとも１つのユニットと、
生成されたＮＨ_３を貯蔵する少なくとも１つの貯蔵タンクと、
ＨＮＯ_３からＮＨ_３とＮＨ_４ＮＯ_３を生成するために連続的に動作する少なくとも１つのガス液体リアクタと、
を備えている。
前記生物グループは、
プロセスの生物セクションで使用される様々なユニットを収容する少なくとも１つのジオデシックドームと、
少なくとも１つのドーム内の大気を加熱し、後述するプラントユニットを機能させるためのエネルギーを生成する少なくとも１つの光発電パネルと、
可変温度の吸脱着サイクルを実行可能にするために、ゼオライトからなる少なくとも１つの吸着床と、火星の自然環境との熱交換を保証する機能を有する少なくとも１つのラジエータと、を備えており、ＣＯ_２を火星の大気ガス（主にＮ_２とＡｒ）の他の成分から分離し、分離したＣＯ_２を加圧し、同じ圧力のＣＯ_２を少なくとも１つのドームに吹き込む少なくとも１つのＴＳＡユニットと、
火星の表土を掘削する少なくとも１つの掘削機と、
掘削された表土を、当該表土を処理するユニットに供給する少なくとも１つのコンベヤベルトと、
マイクロ波加熱を使用して火星の表土から吸着した水和水を抽出する少なくとも１つのマグネトロンを備えている少なくとも１つのＭＰＯユニットと、
表土から抽出した水を、化学物理セクションで生成された適量の硝酸と混合する少なくとも１つのユニットと、
脱水した表土をτ_１’およびτ_２’と名付けられた２つの固体ストリームに分割するための双方向コンベヤベルトからなる少なくとも１つのユニットと、
表土の固体ストリームτ_１’を水と硝酸の混合物で浸出するために連続的に動作する少なくとも１つのリアクタと、
浸出リアクタから出るスラリに対して固液分離を行なうとともに、「培養ブロス」と「浸出表土」のストリームを同時に生成する「プレートフィルタ」からなる少なくとも１つのユニットと、
ＣＯ_２からの分離の結果として前のユニットにより得られたＮ_２とＡｒ系ガスを蓄積する少なくとも１つのタンクと、
Gloeocapsa種ＯＵ＿２０、Leptolyngbya種ＯＵ＿１３、Phormidium種ＯＵ＿１０、Chroococcidiopsis０２９； Arthrospira platensis； Synechococcus elongatus； Anabaena cilindrica； Chlorella vulgaris； Nannochloris Eucaryotumなどの遺伝子工学種の少なくとも１つを含む藻類種と、
藻類種の接種材料を調製する少なくとも１つのユニットと、
培養ブロスが藻類接種材料を硝酸およびθ２と名付けられた高含量のＣＯ_２を含むガスストリームと接触させることにより、藻類バイオマスを生成する少なくとも１つの光バイオリアクタと、
液相のＣＯ_２を吸収し、光バイオリアクタ内に供給された成分を適度に混合し、「生物スラリ」を循環させる少なくとも１つの「エアリフト」型ハイドロニューマティックポンプと、
使用済み培養ブロスから、光バイオリアクタ内で生成された藻類バイオマスと酸素を分離する少なくとも１つのユニットと、
光バイオリアクタによって生成された酸素を蓄積する少なくとも１つのタンクと、
藻類バイオマスを脱水する少なくとも１つのユニットと、
食用植物を成長させる温室として使用される少なくとも１つのジオデシックドームと、
を備えている。

以降の詳細な説明から明らかなように、材料と装置のキット、ならびにこれを用いるプロセスは、現地調達可能な資源の使用を通じた火星の土壌上での酸素、水、一酸化炭素、アンモニア、窒素肥料、および可食バイオマスの生産を可能にする。

本発明の特徴、および利点は、以降の詳細な説明、非限定的な例示を目的として示される実施例、および添付の図面により明らかになる。

本発明の実施例に係る「物理化学」セクションを示すフロー図である。 本発明の実施例に係る「生物」セクションを示すフロー図である。 特定の試行実験中に得た藻バイオマスの濃度を培養時間の関数として示すグラフである。

本発明は、火星への中期／長期有人宇宙ミッションを維持するために火星資源から酸素、水、一酸化炭素、アンモニア、窒素肥料、可食バイオマス、および食物を生産するプロセス、ならびに材料と装置のキットに関する。

本発明と関連したプロセスとキットは、ＥＣＬＳＳシステムと相乗的に動作するシステムであり、自立統合システムの実現を目指す理想の完成を象徴するものである。

したがって、当該プロセスは、大気、土壌、太陽放射などの火星資源の使用に基づいている。当該プロセスの主な特徴は、例えば、非特許文献４と非特許文献５に報告されている。具体的には、火星土壌では、比較的大量（約９％ｗｔ／ｗｔ）の水和水が検出されている（非特許文献６を参照）。

したがって、本発明は、２つの異なるセクション、すなわち、酸素、水、一酸化炭素、アンモニア、窒素肥料が生産される「化学物理セクション」と、可食バイオマスが生成される「生物セクション」とを含むプロセスに関し、前記「化学物理セクション」は、次のステップを含む。

屋内で動作するプラントユニットを収容する少なくとも１つのジオデシックドームを、火星の表面に組み立てるステップ（ａ）。
前記少なくとも１つのドーム内を加熱し、前記プラントユニットのプラントに給電するために必要なエネルギーを生成する屋外光発電パネルを組み立てるステップ（ｂ）。
可変温度吸着ユニット（温度スイング吸着装置、すなわちＴＳＡ）と固体除湿装置（水蒸気吸着リアクタ、すなわちＷＡＶＡＲ）を、屋外に組み立てるステップ（ｃ）。
加圧した火星のＣＯ_２を、前記少なくとも１つのドーム内に、ＴＳＡを介して、内圧が０．８バール以上になるまで吹き込むステップ（ｄ）。
前記光発電パネルにより給電された加熱システムによって、前記少なくとも１つのドームの内部を、温度が１０℃以上になるまで加熱するステップ（ｅ）。
屋外で動作するプラントユニットを機械的に保護する構造物を組み立てるステップ（ｆ）。
少なくとも１つのドーム内に、肥料を生産するプラントユニットを配置するステップ（ｇ）。
大気水を抽出するために、火星の大気からなるガスを、屋外で機能するＷＡＶＡＲユニットに供給するステップ（ｈ）。
火星の表土を掘削し、吸着水と鉱物の水和水をマイクロ波によって抽出するＭＰＯ（マイクロ波ピザオーブン）と名付けられた屋内システムに供給するステップ（ｉ）。
火星の大気から抽出した水を貯蔵タンクに供給するステップ（ｊ）。
表土から抽出した水を、π１、π２、およびπ３と名付けられた３つのストリームに分割するステップ（ｋ）。
水ストリームπ１を屋内で動作する電解槽に供給して、Ｈ_２とＯ_２の２つの別ストリームを作り出すステップ（ｌ）。
ゼオライト材料の可変温度吸脱着サイクルにより、ユニットＷＡＶＡＲから出る脱水大気を、ＣＯ_２を分離し加圧するシステムＴＳＡに供給し、同時に実質的にＮ_２とＡｒからなる第２のガスストリームを生成するステップ（ｍ）。
分離し加圧したＣＯ_２を電気分解装置に供給して、Ｏ_２、および船外活動用の推進剤として蓄積され使用されるＣＯとＣＯ_２の混合物からなるガスストリームを生成するステップ（ｎ）。
電気合成によって気体アンモニア（ＮＨ_３）を生成するととともに当該ＮＨ_３を生成する反応プロセス中に不活性なＡｒのストリームを生成できるようにするリアクタ内に、ＴＳＡから分離された実質的にＮ_２とＡｒからなる前記第２のガスストリームを、水の電気分解によって生成されたＨ_２とともに供給するステップ（ｏ）。
生成された前記ＮＨ_３のストリームをθ１とθ２と名付けられた２つのストリームに分割するステップ（ｐ）。
オストワルト法に基づいて動作し、硝酸（ＨＮＯ_３）と主にＡｒからなる排気ガスとを生成するユニットに、前記電気合成ステップ（ｏ）から出るＡｒのストリームを、前記ステップ（ｐ）における前記ＮＨ_３のストリームθ１、前記ステップ（ｌ）により生成された前記酸素、および前記ステップ（ｋ）によって生成された前記水のストリームπ２とともに供給するステップ（ｑ）。
生成された前記ＨＮＯ_３のストリームを、ρ１およびρ２と名付けられた２つのストリームに分割するステップ（ｒ）。
前記ステップ（ｐ）により生成された前記ＮＨ_３のストリームθ２を、さらにθ２’およびθ２”と名付けられたストリームに分割するステップ（ｓ）。
前記ストリームθ２’を、船外活動用の推進剤として、または水栽培で肥料として使用されるＮＨ_３を汲み出す貯蔵タンクに供給するステップ（ｔ）。
肥料として使用される硝酸アンモニウム（ＮＨ_４ＮＯ_３）の生成を可能にする吸収および中和用のリアクタ内に、前記ＨＮＯ_３のストリームρ１を、前記ステップ（ｓ）によって生成された前記ＮＨ_３のストリームθ２”とともに供給するステップ（ｕ）。

前記生物セクションは、次のステップを含む。
屋内で動作するプラントユニットを収容する少なくとも１つのジオデシックドームを、火星の表面に組み立てるステップ（ａ’）。
前記少なくとも１つのドーム内で加熱し、前記プラントユニットのプラントに給電するために必要なエネルギーを生成する屋外光発電パネルを組み立てるステップ（ｂ’）。
可変温度吸着ユニット（温度スイング吸着装置、すなわちＴＳＡ）と固体除湿装置（水蒸気吸着リアクタ、すなわちＷＡＶＡＲ）を、屋外に組み立てるステップ（ｃ’）。
加圧した火星のＣＯ_２を、前記少なくとも１つのドーム内に、ＴＳＡを介して、内圧が０．８バール以上になるまで吹き込むステップ（ｄ’）。
前記光発電パネルにより給電された加熱システムによって、前記少なくとも１つのドームの内部を、温度が１０℃以上になるまで加熱するステップ（ｅ’）。
火星の表土を掘削し、吸着水と鉱物の水和水をマイクロ波によって抽出するＭＰＯ（マイクロ波ピザオーブン）と名付けられた屋内システムに供給するステップ（ｆ’）。
生成された水と、前記化学物理セクションで生成された適量の硝酸とを混合するステップ（ｇ’）。
前記ステップ（ｆ’）によって生成された脱水表土を、τ_１’およびτ_２’と名付けられた２つの固体ストリームに分割するステップ（ｈ’）。
微量栄養素と主栄養素を固相から液相に変換するための浸出リアクタに、前記ステップ（ｇ’）で前記硝酸と混合されて生成された前記水を、前記表土の固体ストリームτ_１’とともに供給するステップ（ｉ’）。
浸出リアクタから出る固体と液体（スラリ）の混合物を濾過システムに供給し、「培養ブロス」と名付けられた微量栄養素および主要栄養素に富む液体から、「浸出表土」と名付けられた固体を分離するステップ（ｊ’）。
ゼオライト材料の可変温度吸脱着サイクルに基づいてＣＯ_２を分離し加圧するＴＳＡユニットに火星の大気を供給し、同時に実質的にＮ_２とＡｒからなる第２のガスストリームを生成するステップ（ｋ’）。
ミッション中に科学的目的のために行なわれるサンプリングステップで使用される分析装置のバッファガスとして前記ステップ（ｋ’）によって生成されたＮ_２とＡｒを取り出し可能な容器に、前記第２のガスストリームを蓄積するステップ（ｌ’）。
地球から運ばれた適当な藻種の接種材料を調製するステップ（ｍ’）。
藻の成長を促進するために使用される少なくとも１つの光バイオリアクタ内に、前記ステップ（ｊ’）によって生成された前記「培養ブロス」を、前記ステップ（ｋ’）によって生成された前記ＣＯ_２の加圧ストリーム、前記化学物理セクションで生成された前記ＨＮＯ_３、および前記ステップ（ｍ’）によって生成された前記接種材料とともに供給するステップ（ｎ’）。
前記光バイオリアクタ内に供給された成分の適当な混合と、「生物スラリ」と名付けられた藻類と培養基の混合物の十分な循環とを可能にするハイドロニューマティックポンプ（「エアリフト」）を利用したシステムによって、液相のＣＯ_２吸収を行なうステップ（ｏ’）。
光合成を促進できる光源に前記少なくとも１つの光バイオリアクタを曝し、その結果として新しい光合成藻類バイオマスと酸素を形成するステップ（ｐ’）。
前記藻類バイオマスを遠心分離によって前記培養ブロスから分離し、脱気によって酸素から分離するステップ（ｑ’）。
ＥＣＬＳＳセクション（環境制御生命維持システム）に供給された酸素を封止および加圧されたタンクに蓄積し、さらに食物、または栄養補助食品として使用するために藻類バイオマスを脱水するステップ（ｒ’）。
食物の栽培場が育ったドーム内に、前記ステップｑ’）で消費された前記培養ブロスを、前記化学物理セクションで生成された前記硝酸アンモニウム（ＮＨ_４ＮＯ_３）、前記ステップ（ｊ’）によって生成された前記浸出表土、地球から運んだ適量の腐植土とフルボ酸、および人間代謝廃棄物とともに輸送するステップ（ｓ’）。

したがって、本発明に係るプロセスは、まずステップ（ａ）の実行を伴う。ステップ（ａ）においては、プロセスを実行するために必要な屋内で動作するプラントユニットが、ドーム内に導入されて組み立てられる。ドーム内には、特に後述する技術によって、熱圧状態（温度と圧力）が設定される。当該熱圧状態においては、同じ化合物についての反応物と生成物の凝集状態が、地球上で観察されるものと完全に類似する。

ステップ（ｂ）では、プロセス全体に給電するために必要なエネルギーを生成する光発電システムの導入と配備を行なう。

ステップ（ｃ）では、少なくとも１つの温度スイング吸着装置（ＴＳＡ）と少なくとも１つの固体除湿装置（水蒸気吸着リアクタ、またはＷＡＶＡＲ）を屋外で組み立てる。

具体的には、火星の大気中水を抽出するためのユニット（ＷＡＶＡＲ）と、振動温度の吸脱着サイクルによって大気ＣＯ_２を分離し加圧するユニット（ＴＳＡ）は、屋外で動作する。火星の熱圧状態下で動作するこれらのユニットは、適当な構造物により、火星の環境において特徴的な通常の砂塵嵐に運ばれる隕石や固体の衝突によって生じる可能性のある破損から機械的に保護される。そのような構造物は、特定の技術により現地で建造されうる。当該技術は、例えば特許文献１により提案されている。

ステップ（ｄ）では、加圧した火星のＣＯ_２を、ドームの内部に、ＴＳＡユニットによって、内圧が少なくとも０．８バールに達するまで強制的に吹き込む。

ステップ（ｅ）では、ドーム内の温度を少なくとも１０℃（好ましくは、１０〜１５℃）に上昇させる。

ステップ（ｆ）では、屋外で動作する設備を機械的に保護する構造物を建造する。

ステップ（ｇ）では、肥料を生成するために使用されるプラントユニットを、ドームの内部に収容する。ドームの内外に全てのユニットが設置されると、ステップ（ｈ）として、火星の大気を少なくとも１つのＷＡＶＡＲユニットに供給する。

ステップ（ｈ）と同時に、ステップ（ｉ）が実行される。ステップ（ｉ）では、火星の表土を掘削し、ＭＰＯ（マイクロ波ピザオーブン）と名付けられたシステムに運び込む。このシステムは、屋内で動作し、吸着した水和水を鉱物からマイクロ波によって抽出できるようにする。ステップ（ｊ）では、上記のステップで得られた水蒸気は、圧縮され、バッファタンクに蓄積されうる。当該水蒸気は、以降のステップで使用されるべく、適量だけ取り出し可能である。そして、脱水された表土が、ＭＰＯシステムを収容している構造から、ベルトコンベヤシステムを通じて除去される。

ステップ（ｋ）では、バッファタンクから水ストリームを抜き、適当な管継手によって、π_１、π_２、およびπ_３と名付けられた３つの異なるストリームに分割する。

ステップ（ｌ）では、ストリームπ_１は、電気分解装置に供給される。電気分解装置では、光発電システムから供給された電気を利用して、水の電気分解が行われる。その結果、水素（Ｈ_２）と酸素（Ｏ_２）が生成される。

好ましい実施形態においては、水の電気分解は、電解槽内で行なわれる。当該電解槽は、電極（陰極および陽極）と、イオンを通過させる電解質とを備えている。当該電解槽には、直流が給電される。

ステップ（ｍ）では、ステップ（ｈ）で生成された火星の脱水大気を、ＣＯ_２を他のガスから分離し状況に応じて加圧するシステムに供給する。当該ステップは、温度スイング吸着（非特許文献７を参照）と呼ばれるプロセスによって行なわれることが好ましい。

ＴＳＡユニットを使用することにより、０．８バールの圧力を特徴とする純粋ＣＯ_２ストリームが生成される。そのようなユニットは、同時に、後続するステップで使用される第２のガスストリームを生成する。第２のガスストリームは、主にＮ_２とＡｒからなる。そして、当該０．８バールの純粋ＣＯ_２ストリームは、ドームの内部の加圧、およびＣＯとＯ_２を得る電解槽への供給の少なくとも一方に使用される。そして、８００℃の温度と０．８バールの圧力を特徴とする生成された酸素が、適当なタンク内に蓄えられる。酸素は、当該タンクから抜き取ってＥＣＬＳＳシステムに供給されうる。

一酸化炭素は、適当なタンクに蓄積されうる。一酸化炭素は、当該タンクから抜き取って、船外活動を行なうのに有効なローバーなどの設備の推進剤として使用されうる（ステップ（ｎ））。

ステップ（ｏ）では、電気合成によって気体アンモニア（ＮＨ_３）を生成するととともに当該ＮＨ_３を生成する反応プロセス中に不活性なＡｒのストリームを生成するリアクタ内に、、ＴＳＡユニットによって生成されて主にＮ_２とＡｒからなる第２のストリームを、水の電気分解によって生成されたＨ_２とともに供給する。アンモニアの前記電気合成は、非特許文献８によって提案されたプロセスによって首尾よく実行されうる。本発明の目的のために、このプロセスでは、空気の代わりにアルゴンが使用される。したがって、６５０℃の温度と０．８〜１バールの圧力を特徴とするアンモニアが得られる。

ステップ（ｏ）で生成されたＮＨ_３は、良好な発熱量（約１４３６０ｋＪ／ｍ^３）を特徴とするため、船外活動中に利用される推進剤や燃料として特定の分量を使用できる。さらに、ＮＨ_３は、高い熱伝導率（約２４５．６ｍＷ／ｃｍ・Ｋ）も特徴とするため、生成されたアンモニアの更なる分量を、システムＥＣＬＳＳに使用される熱交換器内の熱伝達流体として使用できる。ＮＨ_３と同時に、ステップ（ｏ）では、以降のステップ（ｑ）で硝酸を生成するために使用されるアルゴンのストリームが得られる。

ステップ（ｐ）では、ステップ（ｏ）で生成されたアンモニアのストリームが、Ｔコネクタによって、θ１およびθ２と名付けられた２つのストリームに分離される。

ステップ（ｑ）では、オストワルト法（特許文献２を参照）に基づいて動作するユニットに、電気合成セクション（ｏ）から出るＡｒのストリームを、アンモニア（ｏ）のストリームθ１、ステップ（ｌ）で生成された酸素のストリーム、ならびにステップ（ｋ）で生成された水のストリームπ２とともに供給する。オストワルト法本来のプロセスと異なり、本発明では、ステップ（ｑ）で硝酸とアルゴンを得られるようにする反応の発熱を減らすために、過剰空気の代わりにＡｒが用いられる。

ステップ（ｒ）では、硝酸のストリームを、ρ１およびρ２と名付けられた２つの別ストリームに分割する。後に詳述するが、ストリームρ１は、光バイオリアクタ内の主栄養素供給源として使用される。ストリームρ２は、吸収／中和リアクタに供給される。吸収／中和リアクタでは、硝酸アンモニウム（ＮＨ_４ＮＯ_３）が生成される。

ステップ（ｒ）と同時に実行されるステップ（ｓ）では、アンモニアストリームθ２が、θ２’およびθ２”と名付けられた２つのストリームに分割される。ストリームθ２”は、ステップ（ｔ）で適当なタンクに蓄積されて燃料として使用される。ストリームθ２’は、中和リアクタに供給される。中和リアクタでは、ステップ（ｕ）により硝酸アンモニウムが得られる。

「生物セクション」については、ステップ（ａ’）〜（ｆ’）は、化学物理セクションについて既に述べた対応するステップと完全に同等である。

ステップ（ｇ’）は、表土から抽出された水と、化学物理セクションで生成された適量の硝酸とを混合する。この操作は、水のｐＨを低下させる。よって、浸出工程に係る以降のステップ（ｉ’）で表土の主栄養素と微量栄養素の液相への物質移動を促進する。

ステップ（ｈ’）では、ステップ（ｆ’）で生成された脱水表土の固体ストリームを、それぞれτ１’およびτ２’と名付けられた２つのストリームに分割する。そして、固体ストリームτ２’は、「屋外」で動作するユニットを保護する特殊な構造物を構築するための原材料として使用されうる。建築資材を生成するプロセスは、伊国特許出願MI2010A001412号によって提案された技術に基づきうる。

固体ストリームτ１’は、ステップ（ｇ’）で生成された水と硝酸のストリームの重量比が１：５ｗｔ／ｗｔになる程度の流量が必要である。

ステップ（ｉ’）では、固体ストリームτ１’を、硝酸のストリームと水ストリームとともにリアクタに供給する。リアクタでは、連続的に撹拌されるスラリを形成するように液体と固体が接触することにより、液相と固相間の有効な接触が可能になる。本ステップの目的は、表土に含まれる全ての主栄養素（Ｐ，Ｓ，Ｃ）と微量栄養素（Ｆｅ、Ｍｇ、Ｓｉなど）を液相に移動することである。このようにして「培養ブロス」が生成され、一旦窒素系栄養素と一体化されれば、自己栄養藻類成長の維持が可能とされる（非特許文献９を参照）。栄養素を液相に有効かつ確実に物質移動できる適当な接触時間は、約２４時間である。

ステップ（ｊ’）では、固液分離を行なう。固液分離は、適当な濾過システム（すなわち、フィルタプレートやフィルタバッグ）によって遂行されうる。

したがって、ステップ（ｊ’）は、２つの分離されたストリームを生成する。第１のストリームは、浸出表土である。第２のストリームは、化学物理セクションで生成された硝酸と混合されることにより微細藻類用の「培養ブロス」となる液体である。

前述のステップと同時に、ＴＳＡシステムを用いて、火星の大気のＣＯ_２が先ず分離され、次いで加圧される。実際には、ＣＯ_２は、藻の成長を維持する別の重要な主栄養素となる。

「一度だけ（una tantum）」実行されるステップ（ｍ’）は、その開始のために光バイオリアクタ内に供給される接種材料を調製する。接種材料は、藻類種からなることが好ましい。藻類種の例としては、Gloeocapsa種ＯＵ＿２０、Leptolyngbya種ＯＵ＿１３、Phormidium種ＯＵ＿１０、Chroococcidiopsis０２９； Arthrospira platensis； Synechococcus elongatus； Anabaena cilindrica； Chlorella vulgaris； Nannochloris Eucaryotumなどの遺伝子工学種が挙げられる。

ステップ（ｎ’）では、接種材料を光バイオリアクタ内に供給する。光バイオリアクタには、ステップ（ｊ’）で生成された浸出物から出る液体ストリーム、ステップ（ｋ’）で得られたガスＣＯ_２、および化学物理セクションで得られた適量の硝酸ストリームが同時に供給される。

ステップ（ｏ’）では、ＣＯ_２は、エアリフト型ハイドロニューマティックポンプによって液体中に泡立たされることが好ましい。エアリフト型ハイドロニューマティックポンプは、光バイオリアクタ内の適当な液体循環を保証する。さらに、ＣＯ_２を微細気泡の形で注入するために、適当なディフューザを使用することが好ましい。他方、硝酸は、培養ブロス中に単純に注入される。これにより、硝酸塩による濃縮が可能になる。

前述の化合物を藻類接種材料と混合すると、以降「生物スラリ」と呼ぶ藻類培地が得られる。そのような「生物スラリ」は、適当な光束に曝された場合、食物の原材料として使用できる藻類バイオマスの生成を可能にする光合成現象を引き起こし、かつ維持できる。直接に、または、好ましくは集光器および光ファイバなどの適当なシステムによって、培養物を火星の表面に入射する太陽放射に曝すことにより、当該光束が供給されうる。

したがって、光合成プロセスにより、培養の藻類バイオマス濃度を高める新しい微小藻類が生成される。

好ましい実施形態においては、光バイオリアクタは、流加（フェドバッチ）モード、すなわち半連続モードで動作する。したがって、藻類培養は、バイオマス濃度が藻類の成長速度の静止期に対応する適当な値に達するまで生物スラリが完全に再循環される閉鎖系で行われる。

静止期に達した後、適量の「生物スラリ」を回収し、使用済み「培養ブロス」からバイオマスを分離する脱水プロセスにかける。そして、光バイオリアクタから取り出された一定量の生物スラリは、藻類成長中に消費された栄養素を再導入する同量の新鮮な（微小藻類を含まず、ステップ（ｊ’）で生成された）「培養ブロス」と置き換えられる。

新鮮な「培養ブロス」の取出しと再導入の操作ステップが行なわれると、微小藻類成長がバッチモードで再開される。少なくとも２５時間（火星の一日の長さ）の成長をバッチモードで保証するために、取り出して再導入する操作は、定期的に（好ましくは、１日１回、同じ時刻に）繰り返されることが好ましい。

ステップ（ｑ’）では、毎日抽出した「生物スラリ」を、適当な遠心分離システムによって行なわれる固液分離ステップに供給する。このステップで行なわれる固液分離により、使用済み「培養ブロス」から藻類バイオマスを分離できる。

必要とされる水の流入量を減らし、もって表土から抽出される水の量を減らすために、使用済み「培養ブロス」は、「生物セクション」の先頭に再循環されうる。他方、好ましい実施形態においては、使用済み培養ブロスは、野菜が栽培される温室、または水栽培システムを潅漑するために使用されうる。

また、遠心機によって分離された固体藻類バイオマスは、マイクロ波オーブンによって脱水され、宇宙飛行士によって食物として消費されうる。

ステップ（ｑ’）では、光合成によって生成された酸素は、適当な脱気システムによって生物スラリから分離されてからＥＣＬＳＳユニットに送られる。ＥＣＬＳＳユニットでは、乗員室の空気再生に使用されうる。したがって、ステップ（ｒ’）では、光合成によって生成された酸素を適当な加圧タンクに貯蔵する。

ステップ（ｓ’）では、前述したプロセスによる様々な生成物を、植物と野菜を栽培できる温室として機能するドーム内に供給する。ステップ（ｓ’）は、以下のサブステップを含むことが好ましい。

火星上の温室として使用されるドーム内に、所望の植物種の成長に適合する温度と圧力の条件を作り出すサブステップ（ｓ’１）。
ステップ（ｊ’）によって生産された浸出表土を、温室として機能するドームに供給するサブステップ（ｓ’２）。
サブステップ（ｓ’２）の表土を、化学物理セクションのステップ（ｕ）で生成された硝酸アンモニウム（ＮＨ_４ＮＯ_３）と混合し、表土内の窒素系栄養素を適切かつ確実に取り入れられるようにするサブステップ（ｓ’３）。
表土、および硝酸アンモニウムを、適量の腐植土、およびフルボ酸と混合するサブステップ（ｓ’４）。
表土を宇宙飛行士の住居から出る適量の有機廃棄物と混合し、土壌有機物含有量を高めるサブステップ（ｓ’５）。
植物種の栽培を進めるサブステップ（ｓ’６）。
遠心機から供給される使用済み溶液を使用して作物を潅漑するサブステップ（ｓ’７）。
光合成に必要な光束を提供するサブステップ（ｓ’８）。

別の態様によれば、本発明は、上記本発明に係るプロセスを実施するための材料と装置のキットに関する。当該キットは、「化学物理」グループ、および「生物」グループと名付けられた２つの部品グループを含んでいる。「化学物理」グループは、以降に列挙する部品を含んでいる。

・プロセスの化学物理セクションで使用される様々なユニットを収容する少なくとも１つのジオデシックドーム。
・少なくとも１つのドーム内の大気を加熱し、後述するプラントユニットを機能させるエネルギーを生成する少なくとも１つの光発電パネル。
・可変温度の吸脱着サイクルを実行可能にするために、ゼオライトからなる少なくとも１つの吸着床と、火星の自然環境との熱交換を保証する機能を有する少なくとも１つのラジエータと、を備えており、ＣＯ_２を火星の大気ガス（主に、Ｎ_２とＡｒ）の他の成分から分離し、分離したＣＯ_２を加圧し、同じ圧力のＣＯ_２を少なくとも１つのドームに吹き込む少なくとも１つのＴＳＡユニット。
・ゼオライトの使用と吸着プロセスとその後のマイクロ波による脱着に基づいて、火星の大気中にある水を抽出する少なくとも１つのＷＡＶＡＲユニット。
・火星の大気から抽出した水を貯蔵する少なくとも１つの貯蔵タンク。
・火星の表土を掘削する少なくとも１つの掘削機。
・掘削された表土を、当該表土を処理するユニットに供給する少なくとも１つのコンベヤベルト。
・マイクロ波加熱を使用して火星の表土から吸着した水和水を抽出する少なくとも１つのマグネトロンを備えている少なくとも１つのＭＰＯユニット。
・表土から抽出した水をπ１、π２、およびπ３と名付けられた３つのストリームに分割する３つの出口を有する少なくとも１つのパイプコネクタ。
・ストリームπ１の水を電気分解し、水素と酸素を生成する少なくとも１つの電解槽。
・ＣＯ_２を電気分解し、分離したＯ_２と、ＣＯおよびＣＯ_２の混合物とを得る少なくとも１つの電解槽。
・固体電解質（固体酸化物燃料電池）を備える少なくとも１つの電気合成リアクタからなり、ＴＳＡユニット内に生成された高含有率のＮ_２とＡｒ、および水の電気分解によって得られた水素とを含むガスから、アンモニアを生成する少なくとも１つのユニット。
・生成されたアンモニアのストリームをθ１およびθ２と名付けられた２つのストリームに分割する「Ｔ」コネクタからなる少なくとも１つのユニット。
・少なくとも１つの触媒リアクタ、少なくとも１つの吸収塔、および「ＮＯｘ」を分離する少なくとも１つのシステムを含んでおり、Ａｒ、ＮＨ_３、Ｈ_２Ｏ、Ｏ_２からオストワルト法によって硝酸（ＨＮＯ_３）を生成する少なくとも１つのユニット。
・生成された硝酸（ＨＮＯ_３）のストリームを、ρ１およびρ２と名付けられた２つのストリームに分割する「Ｔ」コネクタからなる少なくとも１つのユニット。
・ストリームθ２をθ２’およびθ２”と名付けられた２つのストリームに分割する「Ｔ」コネクタからなる少なくとも１つのユニット。
・生成されたＮＨ_３を貯蔵する少なくとも１つの貯蔵タンク。
・ＨＮＯ_３からＮＨ_３とＮＨ_４ＮＯ_３を生成するために連続的に動作する少なくとも１つのガス液体リアクタ。

キットの前記「生物」グループは、以下のものを含む。

・プロセスの生物セクションで使用される様々なユニットを収容する少なくとも１つのジオデシックドーム。
・少なくとも１つのドーム内の大気を加熱し、後述するプラントユニットを機能させるためのエネルギーを生成する少なくとも１つの光発電パネル。
・可変温度の吸脱着サイクルを実行可能にするために、ゼオライトからなる少なくとも１つの吸着床と、火星の自然環境との熱交換を保証する機能を有する少なくとも１つのラジエータと、を備えており、ＣＯ_２を火星の大気ガス（主にＮ_２とＡｒ）の他の成分から分離し、分離したＣＯ_２を加圧し、同じ圧力のＣＯ_２を少なくとも１つのドームに吹き込む少なくとも１つのＴＳＡユニット。
・火星の表土を掘削する少なくとも１つの掘削機。
・掘削された表土を、当該表土を処理するユニットに供給する少なくとも１つのコンベヤベルト。
・マイクロ波加熱を使用して火星の表土から吸着した水和水を抽出する少なくとも１つのマグネトロンを備えている少なくとも１つのＭＰＯユニット。
・表土から抽出した水を、化学物理セクションで生成された適量の硝酸と混合する少なくとも１つのユニット。
・脱水した表土をτ_１’およびτ_２’と名付けられた２つの固体ストリームに分割するための双方向コンベヤベルトからなる少なくとも１つのユニット。
・表土の固体ストリームτ_１’を水と硝酸の混合物で浸出するために連続的に動作する少なくとも１つのリアクタ。
・浸出リアクタから出るスラリに対して固液分離を行なうとともに、「培養ブロス」と「浸出表土」のストリームを同時に生成する「プレートフィルタ」からなる少なくとも１つのユニット。
・ＣＯ_２からの分離の結果として前のユニットにより得られたＮ_２とＡｒ系ガスを蓄積する少なくとも１つのタンク。
・Gloeocapsa種ＯＵ＿２０、Leptolyngbya種ＯＵ＿１３、Phormidium種ＯＵ＿１０、Chroococcidiopsis０２９； Arthrospira platensis； Synechococcus elongatus； Anabaena cilindrica； Chlorella vulgaris； Nannochloris Eucaryotumなどの遺伝子工学種の少なくとも１つを含む藻類種。
・藻類種の接種材料を調製する少なくとも１つのユニット。
・培養ブロスが藻類接種材料を硝酸およびθ２と名付けられた高含量のＣＯ_２を含むガスストリームと接触させることにより、藻類バイオマスを生成する少なくとも１つの光バイオリアクタ。
・液相のＣＯ_２を吸収し、光バイオリアクタ内に供給された成分を適度に混合し、「生物スラリ」を循環させる少なくとも１つの「エアリフト」型ハイドロニューマティックポンプ。
・使用済み培養ブロスから、光バイオリアクタ内で生成された藻類バイオマスと酸素を分離する少なくとも１つのユニット。
・光バイオリアクタによって生成された酸素を蓄積する少なくとも１つのタンク。
・藻類バイオマスを脱水する少なくとも１つのユニット。
・食用植物を成長させる温室として使用される少なくとも１つのジオデシックドーム。

キットの「化学物理」グループについては、少なくとも１つのジオデシックドーム内に、少なくとも１０℃の温度と少なくとも０．８バールの圧力での動作を要する様々なプラントユニットが収容される。ドームは、円形断面を有するアルミニウムビームの枠組みによって作製されることが好ましい。ジオデシックドームの被覆は、０．２ｋｇ／ｍ^２の表面密度と大きい機械抵抗および熱抵抗を有するＥＴＦＥ（エチレンテトラフルオロエチレン）のシートによって行われることが好ましい。

少なくとも１つの光発電システムが、ドーム内部の大気を加熱するステップを含む本発明に係るプロセスの全操作ステップにおける給電に必要なエネルギーを生成することが好ましい。電気的観点からは、前記光発電システムは、別個のセクション（アレイ）に分割されることが好ましい。各セクションは、約４０ｍ^２の表面積と、約１１％の太陽放射の電気変換効率を有する。

ＴＳＡユニットについて前述した原理によりドーム内でＣＯ_２を分離し、送気し、圧縮するために、ゼオライトに可変温度の吸着／脱着サイクルを用いる温度スイング吸着が使用される。火星の大気から水を抽出するユニットは、非特許文献１０に記載されたものが適当である。

少なくとも１台の掘削機と少なくとも１台のベルトコンベヤが、火星の表土を掘削し、その火星の表土を、処理ユニットと、特にＭＰＯユニットと呼ばれる水抽出システムへ輸送するために使用される。掘削機は、非特許文献１１に記載されたものが適当である。このシステムは、光発電充電式電池、または同一車両に収容された小型光発電システムによって独立に給電される車両からなる。

閉鎖型ベルトコンベヤは、表土をマイクロ波加熱システムに輸送するマイクロ波加熱システムでは、表土の鉱物から吸着された水和水が抽出される。したがって、ベルトコンベヤは、表土を水抽出用の少なくともＭＰＯユニット内に供給する。抽出された水は、４方向管継手によって、π１、π２、およびπ３と名付けられた３つの別ストリームに分割される。

そして、水ストリームπ１は、電気分解ユニットに送られる。電気分解ユニットは、プロトン交換用の固体電解質、陰極、および陽極からなる。陰極および陽極の双方は、低温で動作する場合でも良好な収率を保証する触媒が付与された多孔質材料からなる。

これらの動作と平行して、ＷＡＶＡＲユニットから出る火星の脱水大気からＣＯ_２が分離および加圧される。

そのような動作は、ステップ（ｍ）で、可変温度でＣＯ_２を吸着／脱着する少なくとも１つのユニットによって行なわれる。

本発明によって提供されるＣＯ_２を電気分解する少なくとも１つのユニットによりＯ_２とＣＯを生成するために、純粋な加圧ＣＯ_２が使用される。この目的のために、固体電解質、陰極、および陽極からなる少なくとも１つの電解槽が使用される。陰極と陽極の双方は、低温で動作する場合でも良好な収率を保証する触媒が付与されて多孔質材料からなる。

アンモニアを電気合成する少なくとも１つのセルは、イオン交換用の固体酸化物電解質、陰極、および陽極からなる。陰極と陽極の双方は、低温で動作する場合でも良好な収率を保証する触媒が付与された多孔質材料からなる。

ここでは、Ｎ_２とＡｒの双方が電気合成セルに供給される。

しかしながら、窒素はステップ（ｏ）に係る反応に関与するが、アルゴンは実質的に不活性なままである。したがって、このユニットからの出力は、アンモニアのストリームとアルゴンのストリームからなる。アルゴンのストリームは、アンモニアの燃焼によって硝酸が生成されるセクション内で希釈剤として適切に利用されうる。他方、生成されたアンモニアのストリームは、適当なＴ型パイプコネクタによって、θ１およびθ２と名付けられた２つの別ストリームに分割される。

ステップ（ｑ）では、硝酸を生成するためにオストワルト法に基づいて動作するユニットに、アンモニアストリームθ１を、ステップ（ｌ）で生成されたアルゴンのストリーム、酸素のストリーム、ならびにステップ（ｋ）で得られた水ストリームπ２とともに送る。当該プロセスは、ステップ（ｑ）について述べた動作に基づいてアンモニア燃焼を行なう触媒リアクタ、Ｎ_２Ｏ_４からＨＮＯ_３を生成する吸収塔、およびＮＯの分離により酸が濃縮されるシステムを利用する。したがって、エネルギーの観点から自己維持的である改良されたオストワルト法は、プロセスの次のステップで使用される硝酸のストリームと、主にアルゴンからなるガスストリームとを生成する。硝酸は、光バイオリアクタ内で藻が成長できるようにする硝酸塩の供給源として使用できる。また、硝酸は、食用植物種（野菜）を栽培する肥料として使用される硝酸アンモニウムを生成するためにも使用されうる。そのため、生成された硝酸のストリームは、適当なＴ型パイプコネクタによってρ１およびρ２と名付けられた２つの別ストリームに分割される。類似のパイプコネクタを利用することによって、ステップ（ｐ）で生成されたアンモニアのストリームθ２は、さらにθ２’およびθ２”と名付けられた２つの別ストリームに分割される。

ステップ（ｕ）では、硝酸アンモニウムを生成するリアクタに、硝酸ストリームρ１を、アンモニアストリームθ２”とともに供給する。硝酸アンモニウムを生成する少なくとも１つのリアクタは、ガス液体型であることを要する。リアクタを動作させることによって、結晶硝酸アンモニウムを、肥料として使用できる白色粉末の形態で生成できる。

キットの「生物」グループについては、少なくとも１つのスラリリアクタが、酸化防止塗料で被覆されることが好ましい。リアクタサイズは、少なくとも２４時間の滞留時間を提供できるものであることが好ましい。リアクタから出るスラリは、ステップ（ｊ’）において固液分離に供される。そのため、本発明に係るプロセスは、スラリの液相から固相を分離する少なくとも１つのフィルタを使用する。

可変温度で吸脱着サイクルを行なうユニットは、化学物理セクションで使用されるものと構造的特性と機能的特性が類似している。

光バイオリアクタは、様々な形態のものを使用できるが、管が螺旋を構成するように配列されたもの（バイオコイルとして知られる）が好ましい。管は、光合成活性放射に対して透明であることを要するので、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）で生成されるべきである。好ましくは、管の直径は０．２ｍ未満とされる。光バイオリアクタは、全再循環によってフェドバッチモードで操作されるべきである。藻細胞の破損と阻害を有利に回避するために、酸素レベルは、空気飽和値の約４００％未満であることが好ましい。光合成によって生成された酸素は光バイオリアクタの管内で除去できないので、藻類培養の溶存酸素を除去するために、藻類培地を定期的に脱ガス装置へ送ることが好ましい。したがって、抽出された酸素は、乗員室の空気再生が行われるＥＣＬＳＳセクションに送られうる。ＣＯ_２は、管に沿って特定の間隔で配置された適当な箇所で注入されうる。これにより、二酸化炭素の消費と高過ぎるｐＨ値による藻類の飢餓状態を有利に防止できる。

光合成を促進するために必要な光束は、火星の表面に入射する太陽放射に光バイオリアクタを直接曝すことによって、あるいは、または光バイオリアクタが収容されたドームに光を送る集光器および光ファイバなどの適当な集光システムによって供給されうる。

流加（フェドバッチ）動作モードの光バイオリアクタにより、適量の「生物スラリ」を回収し、ステップ（ｊ’）で得られた同量の新鮮な「培養ブロス」と置き換える。そして、回収された一定量の「生物スラリ」を固液分離にかける。使用済み「培養ブロス」から藻類バイオマスを分離するユニットは、少なくとも１つの遠心機によって実現されることが好ましい。

さらに、生成された藻類バイオマスを適当なマイクロ波オーブンによって脱水すれば、宇宙飛行士により食物として消費されうる。

遠心機から出る使用済み「培養ブロス」は、栄養素（窒素系栄養素）の残留濃度に特徴があり、火星の温室内で野菜を栽培するために既に肥料化された火星の土壌の潅漑に使用できる。

以下に、本発明の実施例を非限定的に示す。

（実施例）
＜現地で入手可能な資源を使用して火星の土壌において有人宇宙ミッションを維持するために有用な資材を生産するプラントの実現と作業計画＞

まず火星を調査する乗組員の生理学的健康状態を考慮する。このために、表１に示す最小量の水、酸素、および食物が、各宇宙飛行士に毎日提供されることを要する。

この例では、本発明に係るキットの設備と材料を含むプラントは、本発明に係るプロセスを実施するように設計される。当該プロセスは、現地で入手可能な資源を利用することにより火星の土壌において有人宇宙ミッションを維持するのに有用な資材を生産する。また、本発明に係るプロセスに基づいて動作パラメータを設計した。

＜「化学物理」セクションのプラントの設計＞
化学物理セクションについては、まず１時間あたり約１２１．５４７ｋｇの質量流量（α）の火星の大気が、プロセスのステップ（ｈ）に係るＷＡＶＡＲユニットより脱水される。１時間あたり約０．０２２９７ｋｇの質量流量（β）の水と、１時間あたり約１２１．５４４２ｋｇの質量流量（γ）の脱水された火星の大気が、ＷＡＶＡＲユニットの出口に生成される。

上記の質量流量は全て、８ｍｂａｒの圧力と２１０Ｋの温度を特徴とする。表２は、火星上でミッションを計画するためのＷＡＶＡＲユニットに関する寸法上の特徴を示している。

そして、質量流量（γ）の脱水大気がＴＳＡユニットに供給される。ＴＳＡユニットでは、プロセスのステップ（ｏ）に基づき、まずＣＯ_２が分離され、次いで加圧される。

０．８バールの圧力と４５０°Ｋの温度を有する１時間あたり約１７．２２５ｋｇの質量流量（δ）の純粋なＣＯ_２が、ＴＳＡユニットの出口に生成される。同時に、主にＮ_２とＡｒからなり、８ｍｂａｒの圧力と２１０°Ｋの温度を特徴とする１時間あたり約４，３１８ｋｇの質量流量（η）のガスが、ＴＳＡユニットの出口に生成される。そのような能力を保証するには、表３に示された特徴を有する少なくとも１１台のＴＳＡユニットが使用されるべきである。

したがって、１１台のＴＳＡユニットは、全体として表４に示されたスペースとエネルギーを必要とする。

そしてプロセスのステップ（ｎ）において、加圧した純粋なＣＯ_２のストリーム（δ）を、ジオデシックドーム内で動作する電解槽に供給する。ユニットは、質量流量が１時間あたり３８．３６ｋｇの純粋酸素（ω）と、５０％ｖ／ｖのＣＯおよび５０％ｖ／ｖのＣＯ_２を含み、質量流量（ε）が１時間あたり７８．８６ｋｇのガス混合物とを生成する。上記の気体混合物のストリームは、ミッション中に行われる船外活動の推進剤として使用されるべく適当なタンクに貯蔵されうる。他方、Ｏ_２のストリームは、ＥＣＬＳＳシステムに供給され、そこで乗員室内の空気再生に使用される。具体的には、生成されるＯ_２の質量流量は、１日あたり４６０ｋｇである。これにより、表１に示した１人あたりの需要に基づいて、多数の乗組員の需要を満たしうることが分かる。
あるいは、余剰酸素は、船外活動中に使用される内燃機関に供給されて適当な推進剤と混合される燃焼用空気として使用されうる。

またあるいは、ＴＳＡユニットによって生成されたＣＯ_２は、ミッション継続期間全体におけるわずかな時間に、ドームを加圧するために使用される。

ＣＯ_２から酸素を生成する目的で、電解槽が使用される。電解槽は、スタックの層を積み重ねることによって得られる幾つかの「電池」からなる。各層は、幾つかの積み重ねられた「電解セル」（または電界ウェハ）からなる。

この例では、ＣＯ_２電解槽は、少なくとも４個の電池からなり、各電池は、スタックを１つのみ含んでいる。スタックは、スタックの高さの合計が１０ｃｍになるように、寸法１００ｃｍ×１００ｃｍ×１ｃｍのウェハが１０枚積み重ねられている。各電解セルに印加される電圧は、１．７Ｖであり、電流密度は、１ｃｍ^２あたり０．４Ａである。このユニットの主な特徴は、表５に示されている。

マイクロ波による加熱のために供給される表土（υ）の質量流量は、１時間あたり３８５．０４ｋｇである。マイクロ波加熱セクションからの出力は、質量流量が１時間あたり約７．７ｋｇの水（π）と、質量流量が１時間あたり３７７．３４ｋｇの固体脱水表土（τ）とからなる。表６に示した各ＭＰＯユニットの特徴は、前述の質量流量を生成するために必要なＭＰＯユニットの数を見積もるために考慮される。

したがって、前述の総量（すなわち、１時間あたり３８５．０４ｋｇ）の表土を処理するためには、約３９個のＭＰＯユニットが必要とされる。これにより、表７に示された全体の消費電力と占有サイズが決まる。

そして、表８に示したように、抽出した水ストリーム（π）を、π１、π２、およびπ３と名付けられた３つの別ストリームに分割する。

具体的には、ストリームπ３は、乗組員に必要な飲料水が生成されるＥＣＬＳＳシステムに供給される。表１に示した１人あたりの需要を考慮すると、生成された飲料水の質量流量は、１２人の乗組員の需要を満足できる。

ストリームπ１は、プロセスのステップ（ｌ）において、水素と酸素が生成される水電解槽に供給される。電解槽の出口で、質量流量が１時間あたり３．３６ｋｇの酸素（ｏ）と、質量流量が１時間あたり約０．４２ｋｇの水素（κ）が得られる。そのような流れを生成するために、水電解槽は、１つのスタックのみからなる。当該スタックは、５個の電解セルからなり、１ｃｍの厚さを有する膜電極（ＮＡＦＩＯＮ）アセンブリによって構成されている。各電解セルの面積は、０．２２ｍ^２である。電解セル間距離は、１ｃｍである。各電解セルに印加される電圧は、１．４Ｖであり、電流密度は、１ｃｍ^２あたり１Ａである。電解槽に供給される水１ｋｇあたりの消費電力は、４．１７ｋＷであり、総重量は、１１．２ｋｇである。表９は、ミッションを計画し前述の性能を達成するために必要な水電解槽の特徴の一覧である。

アンモニアを電気合成するリアクタは、質量流量が１時間あたり２．１４５ｋｇのＮＨ_３（θ）と、質量流量が１時間あたり１．６５ｋｇであり、かつ反応中に不活性のままのＡｒ（λ）とを生成する。電気合成反応の収率は９０％なので、未反応のＮ_２とＨ_２の２つのストリームが、リアクタから放出される。未反応Ｎ_２（μ１）の質量流量は、１時間あたり０．１９６ｋｇであり、未反応ＮＨ（μ２）の質量流量は、１時間あたり０．０４２ｋｇである。

前述の結果を達成するために、電気合成リアクタは１４６個のスタックからなる必要がある。この場合、各スタックは、１０個の電気分解セル（または電気分解ウェハ）からなる。これらのスタックは、それぞれが１０個のスタックを含むように、１５個の電池上に配列される。各電解セルの寸法は、１００ｃｍ×１００ｃｍ×１ｃｍである。スタック間距離は、１ｃｍであり、電池間距離は、１０ｃｍである。

各電解セルに印加される電圧は、０．８Ｖであり、電流密度は、１ｃｍ^２あたり０．００２３２Ａである。総重量が１６５２５ｋｇの場合に２．１５ｋｇのＮＨ_３を生成するために消費される電力は、８．１５ｋＷである。これらのデータに基づいて、電気合成リアクタの消費電力と占有サイズを見積もることができる（表１０を参照）。

そして、生成されたアンモニアのストリーム（θ）は、表１１に示したようにθ１およびθ２と名付けられた２つの別ストリームに分割される。

同時に、水電気分解によって生成された酸素のストリーム（ｏ）は、ｏ_１およびｏ_２と名付けられた２つの別ストリームに分割される。これらの質量流量を表１２に示す。

ストリーム（ｏ１）は、乗員室の空気再生のためにＥＣＬＳＳシステムに供給される。酸素ストリーム（ｏ２）は、アルゴンストリーム（λ）、アンモニアストリーム（θ１）、および水ストリーム（π２）とともに、オストワルト法によって硝酸を生成するユニットに供給される。後者のユニットは、質量流量が１時間あたり０．３２２５ｋｇの硝酸（ρ）、ならびに主にアルゴンからなり質量流量が１時間あたり１．７３５ｋｇ間の燃料ガス（σ）を生成する。このユニットの消費電力と占有サイズを表１３に示す。

表１４に示されたように、アンモニアのストリーム（θ２）は、それぞれθ２’およびθ２”と名付けられた２つの別ストリームに分割される。

同時に、表１５に示したように、硝酸のストリーム（ρ）は、２つのストリームρ１とρ２に分割される。

アンモニアのストリーム（θ２’）は、適当なタンクに蓄積される。後に当該タンクから取り出されるＮＨ_３は、推進剤、または生物セクション内の肥料として使用されうる。硝酸のストリーム（ρ２）は、生物セクションに送られて光バイオリアクタ内の硝酸塩の供給源として使用される。他方、アンモニア（θ２”）と硝酸（ρ１）のストリームは、吸収中和リアクタに供給される。吸収中和リアクタでは、質量流量が１時間あたり０．２５ｋｇの硝酸アンモニウム（ＮＨ_４ＮＯ_３）が生成される。硝酸アンモニウム（ＮＨ_４ＮＯ_３）は、温室内あるいは火星の表面に事前に設置された水栽培システム内の肥料として使用されうる。表１６に、吸収中和リアクタに関する特徴を示す。

以上述べた全てのプラントユニットの占有サイズと消費電力を考慮することによって、キットの化学物理グループに関する以下の一覧表が得られる（表１７を参照）。

屋内で動作する化学物理セクションのプラントユニットのみを考慮すると、全占有サイズは、体積が４１．１２ｍ^３であり、面積が２８ｍ^２である。最大高さは、２ｍである。化学物理セクションの屋内ユニットを収容するジオデシックドームの最小サイズは、理屈上は上記のサイズとすべきである。しかしながら、作業者に適当な作業スペースを確保するために、ジオデシックドームは、屋内ユニットのサイズよりかなり大きくされる。したがって、ジオデシックドームの実際のサイズは、半径が４．４ｍ、体積が１７４ｍ^３、外側面積が１２０ｍ^２、占有面積が６０ｍ^２である。継手を含むドームの筐体の総重量は、８６ｋｇであり、１２０ｍ^２の表面積を有するＥＴＦＥシートの総重量は、２４ｋｇである。

ドームの加圧と加熱については、屋内で保証されることを要する最小熱圧状態は、Ｔ≧２８３ＫかつＰ≧０．８である。当該条件は、プロセスに関与する幾つかの化合物の物質の凝集状態が、地球上と同じであることを保証する必要がある。

したがって、ドームの加圧にＣＯ_２を使用すると仮定すると、吹き込むＣＯ_２の質量は、２６３．７５ｋｇである。図１のスキーム（破線）ならびに先に示したデータを参照すると、ＴＳＡユニットは、０．８バールの圧力を有し質量流量が１時間あたり約１１７．２２ｋｇのＣＯ_２（δ）を生成することが分かる。当該加圧されたＣＯ_２は、特定の時間ドームに吹き込まれうる。その間、ＣＯ_２電解槽は迂回される。当該特定時間は、２．２５時間と見積もられうる。したがって、プロセスにおける最初の２．２５時間、ＴＳＡユニットから出るＣＯ_２は、電解槽ではなくドームに吹き込まれる。

所望温度に達するまでドームを加熱するには、後に熱エネルギーに変換される３８ｋＷの電気エネルギーが消費される。当該消費電力を、化学物理セクションのユニットに給電するために必要な電力に加えることによって、全消費電力は、５３６．７６５ｋＷになる。そのような電力は、表１８に示した特徴を有する光発電システムによって供給することができる。

したがって、ドームを含む化学物理セクションに給電する光発電システムは、広さ約１．６ｈａである。

＜キットの「生物」グループの設計＞
生物セクションについては（図２を参照）、質量流量が１時間あたり約５００８ｋｇの火星の表土（ν’）がＭＰＯユニットに供給される。ＭＰＯユニットでは、ステップ（ｆ’）において吸着および水和された水が、マイクロ波加熱によって抽出される。ＭＰＯユニットは、質量流量が１時間あたり１００．１７４ｋｇの水（π’）と、質量流量が１時間あたり４９０８．５ｋｇの脱水表土（τ’）とを生成する。そのような性能を達成するのに必要なＭＰＯユニットの数を見積もるために、表６に示した単一ＭＰＯユニットの特徴を考慮する。したがって、前述した質量流量の水と脱水表土を生成するには、約５００個のＭＰＯユニットが必要である。したがって、表１９に示したように、ＭＰＯユニットの全消費電力と占有サイズを見積もることができる。

そして、１Ｌあたり約１ｍｇの濃度のＨＮＯ_３を含む水性浸出液を得るために、水ストリーム（π’）が硝酸と混合される。混合は、質量流量が１時間あたり０．１ｇのＨＮＯ_３（ρ’１）を水ストリーム（π’）に直接注入することによって行なわれうる。したがって、酸を混合するために特殊なプラントユニットは不要である。当該操作ステップにより、質量流量が１時間あたり約１００．１７４ｋｇの浸出液（ψ’）が生成される。同時に、脱水表土の質量流量（τ’）が、表２０に示される２つの別ストリームに分割される。

そして、上記質量流量の表土（τ’１）と浸出液（ψ’）がスラリリアクタに供給される。スラリリアクタでは、ステップ（ｉ’）において、浸出メカニズムに基づいて、固相（すなわち、表土）から液相（すなわち、浸出液）に栄養素が移される。特性を表２１に示したスラリリアクタは、質量流量が１時間あたり１２０．２ｋｇのスラリ（σ’）を出口において生成する。スラリは、固体で２０％ｗｔ／ｗｔに濃縮される。

そして、スラリのストリーム（σ’）は、フィルタプレートによって行われる固液分離フェーズに供される。フィルタの出口においては、固体質量流量が１時間あたり２０ｋｇの浸出表土（λ’）と、栄養素（μ１’）に富む液体溶液とが生成される。液体溶液は、藻の成長を維持するために使用する培養ブロス（後にＣＯ_２と硝酸塩を供給する）を生成するための基質として使用されうる。表２２に、フィルタのサイズと電力特性を示す。

前述のステップと同時に、ＣＯ_２が火星の大気から分離され、加圧される。この処理を目的として、ステップ（ｋ’）において、流量が１時間あたり０．７４ｋｇの火星の大気（α’）がＴＳＡユニットに供給される。ＴＳＡユニットでは、ＣＯ_２の分離と加圧が行なわれる。ＴＳＡユニットの出口では、流量が１時間あたり０．７１ｋｇの純粋ＣＯ_２（δ’）が、０．８バールの圧力と４５０Ｋの温度で生成される。同時に、ＴＳＡユニットは、主にＮ_２とＡｒからなり、８ｍｂａｒの圧力と２１０Ｋの温度を有し、流量が１時間あたり０．０３ｋｇの第２のガスストリーム（η’）を生成する。ＴＳＡユニットの特徴を表２３に示す。

加圧ＣＯ_２を得るために必要な占有サイズと電力を表２４に示す。

動作ステップ（ｎ’）により、加圧ＣＯ_２のストリーム（δ’）、栄養素溶液のストリーム（μ’１）、ならびに硝酸のストリーム（ρ’_２）は、所望の藻類種があらかじめ接種されたバイオコイル光バイオリアクタに供給される。光バイオリアクタを適正に設計するために、すなわち、使用される硝酸と生成される藻類バイオマスと光合成酸素の流量を見積もるために、特定の実験を行なった。実験は、連続的に供給される純粋ＣＯ_２（すなわち、１００％ｖ／ｖ）のガスストリームによる流加（フェドバッチ）モードで動作するバイオコイル光バイオリアクタを使用して行われた。藻類濃度についての実験結果を培養時間の関数として図３に示す。上記の条件下で藻の成長が約５か月間維持されたことが同図より分かる。

したがって、組成に関して火星で入手可能なものときわめて似たガスストリームと、火星の光束と似た光束とを使用して行なった実験から、火星上のミッションの継続期間と同様の期間（すなわち、５ヶ月）、光バイオリアクタを収容するドーム内で得られる条件ときわめて似た条件下で、藻類バイオマスを連続的に生成できることが分かった。実験とシミュレーション結果に基づいて、火星の表面で実施される光バイオリアクタの動作パラメータを以下の表２５に示す。

表２５の結果を表１に示した１人あたりの需要と比較することによって、１日あたり約２．４ｋｇの食用乾燥バイオマスを生成するシステムが、３人の乗組員の食物需要を満足できることが分かる。

同時に、質量流量が１時間あたり０．１７ｋｇの光合成酸素（ω’）が、光バイオリアクタによって生成される。そのように生成された酸素は、ＥＣＬＳＳシステム内で乗員室の空気再生に使用されうる。前述の目標を達成するには、表２６に示した特徴を有する２つの光バイオリアクタが必要である。

消費電力６２Ｗは、主に、光バイオリアクタのパイプに沿った液体循環を確保するポンプによるものである。光バイオリアクタセクション全体の占有サイズと消費電力を、表２７に示す。

リアクタ（χ’）の出口における生物スラリの質量流量は、１時間あたり約１００．２４ｋｇである。液相から固体藻類バイオマスを分離するために、前記スラリを遠心分離ステップに供給することによって、質量流量が１時間あたり１００．１５ｋｇの液体（θ’）と、質量流量が１時間あたり０．０９５ｋｇの脱水微小藻類（ξ’）とを得る。遠心分離ユニットの占有サイズと消費電力を、表２８に示す。

生物グループについてこれまで述べた全てのプラントユニットの占有サイズと消費電力を考慮することによって、キットの当該グループに関する以下の一覧表を示すことができる（表２９を参照）。

屋内で動作する生物セクションのプラントユニットを収容するドームの設計に関しては、以下の態様が考えられる。
・ＴＳＡユニットが屋外で動作する場合、その占有サイズを考慮しなくてもよい。
・全体の占有サイズに大きく影響を及ぼす光バイオリアクタは、専用のドーム内に収容される。

したがって、作業者の作業領域を考慮し、また化学物理セクションを収容する前述のドームを大きめに設計する旨を考慮すると、生物セクションのドームの特徴は、以下の通りである。

＜生物セクション用のドーム（光バイオリアクタを除く）＞
このドームは、４．９ｍの半径、２４５ｍ^３の体積、１５０ｍ^２の外側面積、および７５ｍ^２の占有面積を有する。継手を含むフレームの総重量は、８８ｋｇである。１５０ｍ^２の表面積を覆うＥＴＦＥのシートは、重量３０ｋｇである。したがって、ドームの全総重量は１１８ｋｇになる。ドームを０．８バールに加圧するために注入されるＣＯ_２の質量は、３７１ｋｇと見積もられる。ドームを加圧するために使用されるＣＯ_２は、ＣＯ_２電解槽を約３．１７時間迂回する化学物理セクションのＴＳＡユニットによって得られる。ドームの内部を約２８３Ｋの最低温度になるまで加熱するのに必要な電力は、４４ｋＷと見積もられる。

＜光バイオリアクタ用のドーム＞
このドームは、９．５ｍの半径、１７９５ｍ^３の体積、５６７ｍ^２の外側面積、および２８３ｍ^２の占有面積を有する。継手を含むフレームの総重量は、８８ｋｇである。５６７ｍ^２の表面積を覆うＥＴＦＥのシートは、重さ１１３ｋｇである。したがって全総重量は３００ｋｇになる。ドームを０．８バールに加圧するために注入されるＣＯ_２の質量は、１７９００ｋｇと見積もられる。ドームを加圧するために使用されるＣＯ_２は、ＣＯ_２電解槽を約１５３時間迂回する化学物理セクションのＴＳＡユニットによって得られる。ドームの内部を約２８３Ｋの最低温度に達するまで加熱するのに必要な電力は、３２０ｋＷと見積もられる。

光発電システムは、生物セクションを構成する全てのプラントユニットに給電するのに必要なエネルギーと、ドームの内部を少なくとも２８３Ｋの温度に維持するのに必要なエネルギーとを供給しなければならない。

ドームを加熱するために必要な電力を、プラントユニットが必要とする電力に加えることにより、全消費電力を１５７７．２０９ｋＷと見積もることができる。そのような電力は、表３０に特性を示した光発電システムによって生成できる。

したがって、生物セクションに給電する光発電システムは、１１８３個のアレイの使用を要する。これにより火星の土壌を占有する面積は、４．７ｈａである。以上述べた例の結果を、キットの両グループ（すなわち、化学物理セクションと生物セクション）によるエネルギーと資材生産の点から表３１にまとめる。

ミッションに係る総重量を表３２にまとめる。

上記の詳細な説明と実施例から、本発明に係るキットとプロセスによって達成される利点は明らかである。具体的には、当該キットは、火星の土壌に適用される全ての材料と設備を提供することによって、火星の資源のみから水、酸素、推進剤、肥料、可食バイオマス、野菜などの資材を生産する本発明に係るプロセスを実施可能にする。したがって、本発明に係るプロセスが適当なＥＣＬＳＳシステムと統合されれば、ミッションを完全に自己維持させることができる。

Claims (8)

1. 酸素、水、一酸化炭素、アンモニア、窒素肥料、および可食バイオマスを、現地調達可能な資源の使用を通じて火星の土壌上で生産するプロセスであって、
   酸素、水、一酸化炭素、アンモニア、および窒素肥料を生産する化学物理セクションと、
   可食バイオマスを生産する生物セクションと、
   の２つのセクションを備えており、
   前記化学物理セクションは、
   屋内で動作するプラントユニットを収容する少なくとも１つのジオデシックドームを、火星の表面に組み立てるステップ（ａ）と、
   前記少なくとも１つのドーム内を加熱し、前記プラントユニットのプラントに給電するために必要なエネルギーを生成する屋外光発電パネルを組み立てるステップ（ｂ）と、
   可変温度吸着ユニット（温度スイング吸着装置ＴＳＡ）と固体除湿装置（水蒸気吸着リアクタＷＡＶＡＲ）を、屋外に組み立てるステップ（ｃ）と、
   加圧した火星のＣＯ_２を、前記少なくとも１つのドーム内に、ＴＳＡを介して、内圧が０．８バール以上になるまで吹き込むステップ（ｄ）と、
   前記光発電パネルにより給電された加熱システムによって、前記少なくとも１つのドームの内部を、温度が１０℃以上になるまで加熱するステップ（ｅ）と、
   屋外で動作するプラントユニットを機械的に保護する構造物を組み立てるステップ（ｆ）と、
   少なくとも１つのドーム内に、肥料を生産するプラントユニットを配置するステップ（ｇ）と、
   大気水を抽出するために、火星の大気からなるガスを、屋外で機能するＷＡＶＡＲユニットに供給するステップ（ｈ）と、
   火星の表土を掘削し、吸着水と鉱物の水和水をマイクロ波によって抽出するＭＰＯ（マイクロ波ピザオーブン）と名付けられた屋内システムに供給するステップ（ｉ）と、
   火星の大気から抽出した水を貯蔵タンクに供給するステップ（ｊ）と、
   表土から抽出した水を、π１、π２、およびπ３と名付けられた３つのストリームに分割するステップ（ｋ）と、
   水ストリームπ１を屋内で動作する電解槽に供給して、Ｈ_２とＯ_２の２つの別ストリームを作り出すステップ（ｌ）と、
   ゼオライト材料の可変温度吸脱着サイクルにより、ユニットＷＡＶＡＲから出る脱水大気を、ＣＯ_２を分離し加圧するシステムＴＳＡに供給し、同時に実質的にＮ_２とＡｒからなる第２のガスストリームを生成するステップ（ｍ）と、
   分離し加圧したＣＯ_２を電気分解装置に供給して、Ｏ_２、および船外活動用の推進剤として蓄積され使用されるＣＯとＣＯ_２の混合物からなるガスストリームを生成するステップ（ｎ）と、
   電気合成によって気体アンモニア（ＮＨ_３）を生成するととともに当該ＮＨ_３を生成する反応プロセス中に不活性なＡｒのストリームを生成できるようにするリアクタ内に、ＴＳＡから分離された実質的にＮ_２とＡｒからなる前記第２のガスストリームを、水の電気分解によって生成されたＨ_２とともに供給するステップ（ｏ）と、
   生成された前記ＮＨ_３のストリームをθ１とθ２と名付けられた２つのストリームに分割するステップ（ｐ）と、
   オストワルト法に基づいて動作し、硝酸（ＨＮＯ_３）と主にＡｒからなる排気ガスとを生成するユニットに、前記電気合成ステップ（ｏ）から出るＡｒのストリームを、前記ステップ（ｐ）における前記ＮＨ_３のストリームθ１、前記ステップ（ｌ）により生成された前記酸素、および前記ステップ（ｋ）によって生成された前記水のストリームπ２とともに供給するステップ（ｑ）と、
   生成された前記ＨＮＯ_３のストリームを、ρ１およびρ２と名付けられた２つのストリームに分割するステップ（ｒ）と、
   前記ステップ（ｐ）により生成された前記ＮＨ_３のストリームθ２を、さらにθ２’およびθ２”と名付けられたストリームに分割するステップ（ｓ）と、
   前記ストリームθ２’を、船外活動用の推進剤として、または水栽培で肥料として使用されるＮＨ_３を汲み出す貯蔵タンクに供給するステップ（ｔ）と、
   肥料として使用される硝酸アンモニウム（ＮＨ_４ＮＯ_３）の生成を可能にする吸収および中和用のリアクタ内に、前記ＨＮＯ_３のストリームρ１を、前記ステップ（ｓ）によって生成された前記ＮＨ_３のストリームθ２”とともに供給するステップ（ｕ）と、
   を備えており、
   前記生物セクションは、
   屋内で動作するプラントユニットを収容する少なくとも１つのジオデシックドームを、火星の表面に組み立てるステップ（ａ’）と、
   前記少なくとも１つのドーム内で加熱し、前記プラントユニットのプラントに給電するために必要なエネルギーを生成する屋外光発電パネルを組み立てるステップ（ｂ’）と、
   可変温度吸着ユニット（温度スイング吸着装置ＴＳＡ）と固体除湿装置（水蒸気吸着リアクタＷＡＶＡＲ）を、屋外に組み立てるステップ（ｃ’）と、
   加圧した火星のＣＯ_２を、前記少なくとも１つのドーム内に、ＴＳＡを介して、内圧が０．８バール以上になるまで吹き込むステップ（ｄ’）と、
   前記光発電パネルにより給電された加熱システムによって、前記少なくとも１つのドームの内部を、温度が１０℃以上になるまで加熱するステップ（ｅ’）と、
   火星の表土を掘削し、吸着水と鉱物の水和水をマイクロ波によって抽出するＭＰＯ（マイクロ波ピザオーブン）と名付けられた屋内システムに供給するステップ（ｆ’）と、
   生成された水と、前記化学物理セクションで生成された適量の硝酸とを混合するステップ（ｇ’）と、
   前記ステップ（ｆ’）によって生成された脱水表土を、τ_１’およびτ_２’と名付けられた２つの固体ストリームに分割するステップ（ｈ’）と、
   微量栄養素と主栄養素を固相から液相に変換するための浸出リアクタに、前記ステップ（ｇ’）で前記硝酸と混合されて生成された前記水を、前記表土の固体ストリームτ_１’とともに供給するステップ（ｉ’）と、
   浸出リアクタから出る固体と液体（スラリ）の混合物を濾過システムに供給し、「培養ブロス」と名付けられた微量栄養素および主要栄養素に富む液体から、「浸出表土」と名付けられた固体を分離するステップ（ｊ’）と、
   ゼオライト材料の可変温度吸脱着サイクルに基づいてＣＯ_２を分離し加圧するＴＳＡユニットに火星の大気を供給し、同時に実質的にＮ_２とＡｒからなる第２のガスストリームを生成するステップ（ｋ’）と、
   ミッション中に科学的目的のために行なわれるサンプリングステップで使用される分析装置のバッファガスとして前記ステップ（ｋ’）によって生成されたＮ_２とＡｒを取り出し可能な容器に、前記第２のガスストリームを蓄積するステップ（ｌ’）と、
   地球から運ばれた適当な藻種の接種材料を調製するステップ（ｍ’）と、
   藻の成長を促進するために使用される少なくとも１つの光バイオリアクタ内に、前記ステップ（ｊ’）によって生成された前記「培養ブロス」を、前記ステップ（ｋ’）によって生成された前記ＣＯ_２の加圧ストリーム、前記化学物理セクションで生成された前記ＨＮＯ_３、および前記ステップ（ｍ’）によって生成された前記接種材料とともに供給するステップ（ｎ’）と、
   前記光バイオリアクタ内に供給された成分の適当な混合と、「生物スラリ」と名付けられた藻類と培養基の混合物の十分な循環とを可能にするハイドロニューマティックポンプ（エアリフト）を利用したシステムによって、液相のＣＯ_２吸収を行なうステップ（ｏ’）と、
   光合成を促進できる光源に前記少なくとも１つの光バイオリアクタを曝し、その結果として新しい光合成藻類バイオマスと酸素を形成するステップ（ｐ’）と、
   前記藻類バイオマスを遠心分離によって前記培養ブロスから分離し、脱気によって酸素から分離するステップ（ｑ’）と、
   ＥＣＬＳＳセクション（環境制御生命維持システム）に供給された酸素を封止および加圧されたタンクに蓄積し、さらに食物、または栄養補助食品として使用するために藻類バイオマスを脱水するステップ（ｒ’）と、
   食物の栽培場が育ったドーム内に、前記ステップｑ’）で消費された前記培養ブロスを、前記化学物理セクションで生成された前記硝酸アンモニウム（ＮＨ_４ＮＯ_３）、前記ステップ（ｊ’）によって生成された前記浸出表土、地球から運んだ適量の腐植土とフルボ酸、および人間代謝廃棄物とともに輸送するステップ（ｓ’）と、
   を備えている、プロセス。
2. 前記ステップ（ｇ’）において、水と硝酸の比は、１：５である、請求項１に記載のプロセス。
3. 前記ステップ（ｉ’）において、前記液相と前記固相の接触時間は約２４時間である、請求項１または２に記載のプロセス。
4. 前記ステップ（ｐ’）において、前記光源は、火星の表面に入射する太陽放射、あるいは太陽光集光器と光ファイバのシステムである、請求項１から３のいずれか一項に記載のプロセス。
5. 前記ステップ（ｓ’）は、
   火星上の温室として使用されるドーム内に、所望の植物種の成長に適合する温度と圧力の条件を作り出すサブステップ（ｓ’１）と、
   ステップ（ｊ’）によって生産された浸出表土を、温室として機能するドームに供給するサブステップ（ｓ’２）と、
   サブステップ（ｓ’２）の表土を、化学物理セクションのステップ（ｕ）で生成された硝酸アンモニウム（ＮＨ_４ＮＯ_３）と混合し、表土内の窒素系栄養素を適切かつ確実に取り入れられるようにするサブステップ（ｓ’３）と、
   表土、および硝酸アンモニウムを、適量の腐植土、およびフルボ酸と混合するサブステップ（ｓ’４）と、
   表土を宇宙飛行士の住居から出る適量の有機廃棄物と混合し、土壌有機物含有量を高めるサブステップ（ｓ’５）と、
   植物種の栽培を進めるサブステップ（ｓ’６）と、
   遠心機から供給される使用済み溶液を使用して作物を潅漑するサブステップ（ｓ’７）と、
   光合成に必要な光束を提供するサブステップ（ｓ’８）と、
   をさらに備えている、請求項１から４のいずれか一項に記載のプロセス。
6. 請求項１に記載のプロセスを実施するための材料と装置のキットであって、
   化学物理グループと、
   生物グループと、
   を備えており、
   前記化学物理グループは、
   プロセスの化学物理セクションで使用される様々なユニットを収容する少なくとも１つのジオデシックドームと、
   少なくとも１つのドーム内の大気を加熱し、後述するプラントユニットを機能させるエネルギーを生成する少なくとも１つの光発電パネルと、
   可変温度の吸脱着サイクルを実行可能にするために、ゼオライトからなる少なくとも１つの吸着床と、火星の自然環境との熱交換を保証する機能を有する少なくとも１つのラジエータと、を備えており、ＣＯ_２を火星の大気ガス（主に、Ｎ_２とＡｒ）の他の成分から分離し、分離したＣＯ_２を加圧し、同じ圧力のＣＯ_２を少なくとも１つのドームに吹き込む少なくとも１つのＴＳＡユニットと、
   ゼオライトの使用と吸着プロセスとその後のマイクロ波による脱着に基づいて、火星の大気中にある水を抽出する少なくとも１つのＷＡＶＡＲユニットと、
   火星の大気から抽出した水を貯蔵する少なくとも１つの貯蔵タンクと、
   火星の表土を掘削する少なくとも１つの掘削機と、
   掘削された表土を、当該表土を処理するユニットに供給する少なくとも１つのコンベヤベルトと、
   マイクロ波加熱を使用して火星の表土から吸着した水和水を抽出する少なくとも１つのマグネトロンを備えている少なくとも１つのＭＰＯユニットと、
   表土から抽出した水をπ１、π２、およびπ３と名付けられた３つのストリームに分割する３つの出口を有する少なくとも１つのパイプコネクタと、
   ストリームπ１の水を電気分解し、水素と酸素を生成する少なくとも１つの電解槽と、
   ＣＯ_２を電気分解し、分離したＯ_２と、ＣＯおよびＣＯ_２の混合物とを得る少なくとも１つの電解槽と、
   固体電解質（固体酸化物燃料電池）を備える少なくとも１つの電気合成リアクタからなり、ＴＳＡユニット内に生成された高含有率のＮ_２とＡｒ、および水の電気分解によって得られた水素とを含むガスから、アンモニアを生成する少なくとも１つのユニットと、
   生成されたアンモニアのストリームをθ１およびθ２と名付けられた２つのストリームに分割する「Ｔ」コネクタからなる少なくとも１つのユニットと、
   少なくとも１つの触媒リアクタ、少なくとも１つの吸収塔、および「ＮＯｘ」を分離する少なくとも１つのシステムを含んでおり、Ａｒ、ＮＨ_３、Ｈ_２Ｏ、Ｏ_２からオストワルト法によって硝酸（ＨＮＯ_３）を生成する少なくとも１つのユニットと、
   生成された硝酸（ＨＮＯ_３）のストリームを、ρ１およびρ２と名付けられた２つのストリームに分割する「Ｔ」コネクタからなる少なくとも１つのユニットと、
   ストリームθ２をθ２’およびθ２”と名付けられた２つのストリームに分割する「Ｔ」コネクタからなる少なくとも１つのユニットと、
   生成されたＮＨ_３を貯蔵する少なくとも１つの貯蔵タンクと、
   ＨＮＯ_３からＮＨ_３とＮＨ_４ＮＯ_３を生成するために連続的に動作する少なくとも１つのガス液体リアクタと、
   を備えており、
   前記生物グループは、
   プロセスの生物セクションで使用される様々なユニットを収容する少なくとも１つのジオデシックドームと、
   少なくとも１つのドーム内の大気を加熱し、後述するプラントユニットを機能させるためのエネルギーを生成する少なくとも１つの光発電パネルと、
   可変温度の吸脱着サイクルを実行可能にするために、ゼオライトからなる少なくとも１つの吸着床と、火星の自然環境との熱交換を保証する機能を有する少なくとも１つのラジエータと、を備えており、ＣＯ_２を火星の大気ガス（主にＮ_２とＡｒ）の他の成分から分離し、分離したＣＯ_２を加圧し、同じ圧力のＣＯ_２を少なくとも１つのドームに吹き込む少なくとも１つのＴＳＡユニットと、
   火星の表土を掘削する少なくとも１つの掘削機と、
   掘削された表土を、当該表土を処理するユニットに供給する少なくとも１つのコンベヤベルトと、
   マイクロ波加熱を使用して火星の表土から吸着した水和水を抽出する少なくとも１つのマグネトロンを備えている少なくとも１つのＭＰＯユニットと、
   表土から抽出した水を、化学物理セクションで生成された適量の硝酸と混合する少なくとも１つのユニットと、
   脱水した表土をτ_１’およびτ_２’と名付けられた２つの固体ストリームに分割するための双方向コンベヤベルトからなる少なくとも１つのユニットと、
   表土の固体ストリームτ_１’を水と硝酸の混合物で浸出するために連続的に動作する少なくとも１つのリアクタと、
   浸出リアクタから出るスラリに対して固液分離を行なうとともに、「培養ブロス」と「浸出表土」のストリームを同時に生成する「プレートフィルタ」からなる少なくとも１つのユニットと、
   ＣＯ_２からの分離の結果として前のユニットにより得られたＮ_２とＡｒ系ガスを蓄積する少なくとも１つのタンクと、
   Gloeocapsa種ＯＵ＿２０、Leptolyngbya種ＯＵ＿１３、Phormidium種ＯＵ＿１０、Chroococcidiopsis０２９； Arthrospira platensis； Synechococcus elongatus； Anabaena cilindrica； Chlorella vulgaris； Nannochloris Eucaryotumなどの遺伝子工学種の少なくとも１つを含む藻類種と、
   藻類種の接種材料を調製する少なくとも１つのユニットと、
   培養ブロスが藻類接種材料を硝酸およびθ２と名付けられた高含量のＣＯ_２を含むガスストリームと接触させることにより、藻類バイオマスを生成する少なくとも１つの光バイオリアクタと、
   液相のＣＯ_２を吸収し、光バイオリアクタ内に供給された成分を適度に混合し、「生物スラリ」を循環させる少なくとも１つの「エアリフト」型ハイドロニューマティックポンプと、
   使用済み培養ブロスから、光バイオリアクタ内で生成された藻類バイオマスと酸素を分離する少なくとも１つのユニットと、
   光バイオリアクタによって生成された酸素を蓄積する少なくとも１つのタンクと、
   藻類バイオマスを脱水する少なくとも１つのユニットと、
   食用植物を成長させる温室として使用される少なくとも１つのジオデシックドームと、
   を備えている、キット。
7. 前記少なくとも１つの光バイオリアクタは、流加（フェドバッチ）型である、請求項６に記載のキット。
8. 前記少なくとも１つの光バイオリアクタ内の酸素レベルは、空気飽和値の４００％未満である、請求項６または７に記載のキット。

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