JP2019148155A - 資源採掘方法及び資源採掘システム - Google Patents

Abstract

【課題】砂地に埋もれている資源を効率的に採掘する資源採掘方法と資源採掘システムを提供する。【解決手段】砂地Ｓに気体Ｇを吹込みながら、砂地Ｓを流動化した状態で、砂地Ｓに埋もれている資源Ｍを採掘する、資源採掘方法。【選択図】図１

Description

本発明は、資源採掘方法及び資源採掘システムに関する。

宇宙探査を長期的に行う場合、月や火星等の惑星で資源を調達することは重要である。２００９年に探査機エルクロスが月面の地中に含まれる物質を調べたところ、水が氷の状態で存在すること、水に加えてメタン、アンモニア、水素ガス、一酸化炭素、二酸化炭素等の揮発性物質が存在すること等が確認されている。このため、月面における資源調達はビジネスの対象としても注目されている。

月面の地表は、岩石や微小天体に由来する直径１ｍｍ以下の微粒子を大量に含む砂（月レゴリス）によって覆われている。表面から１ｃｍ程度の深さまでは、非常に柔らかく堆積して舞い上がりやすい状態であるが、深くなるにつれて徐々に密度が高まり、１０〜１５ｃｍ以上の深さでは探査車が踏んでも容易には凹まない程度の密度となる。宇宙服を着た人が船外活動をした場合には深さ約２〜５ｃｍ程度の足跡が形成される。

月面で使用する車両、装置、器具等の動作試験を行うために、地球の試験施設で月面を模倣した地表を作製するニーズがある。このようなニーズに対して、特許文献１には、地球上の砂や岩石を材料として月レゴリスの粒径分布を模倣した模擬土壌の製法が提案されている。

特開２００３−２１５８０号公報

月面において、氷は地表から１メートル以上の深さに位置していると考えられている。ショベルカーやブルドーザーを用いて月の地表を掘削する場合、月レゴリスは崩れやすいので、崩れが止まる安息角を維持するように、すり鉢状に広範囲に掘削する必要がある。この掘削方法は効率が悪いうえに、掘削した氷は、月レゴリスと混合した状態となるので、分離する必要がある。具体的には、サイクロン等を備えた分離施設に掘削物を運搬し、水を分離した後に残る月レゴリスを分離施設から外部へ運搬して廃棄する作業が必要となる。これらの作業は、月面で水を採掘する費用を押し上げる問題がある。

本発明は、砂地に埋もれている資源を効率的に採掘する資源採掘方法と資源採掘システムを提供する。

発明者は、砂地を構成する砂の粒子間に気体を吹込むことによって、粒子同士の摩擦が減る結果、砂地が粘性の低い液体のような流動性を呈することを利用して、砂地に埋もれている資源に容易に到達できることを見出し、以下の態様を有する本発明を完成した。

［１］ 砂地に気体を吹込みながら、前記砂地を流動化した状態で、前記砂地に埋もれている資源を採掘する、資源採掘方法。
前記資源が揮発性物質であり、前記砂地に吹き込んだ前記気体の上昇流とともに、前記揮発性物質を採掘してもよい。
［２］ 前記気体を、前記資源の埋もれた位置の雰囲気温度よりも高い温度に加熱して前記砂地に吹込み、前記資源を気化させる、［１］に記載の資源採掘方法。
前記砂地に管を差し込み、前記管を通して前記砂地に前記気体を吹き込んでもよい。
［３］ 前記砂地に前記気体を噴出する管を差し込み、前記砂地を流動化しながら、前記管の差し込み深度を深くする、［１］又は［２］の何れか一項に記載の資源採掘方法。
［４］ 前記砂地をブレードでかき混ぜることにより、前記砂地に前記気体を拡散させる、［１］〜［３］の何れか一項に記載の資源採掘方法。
前記ブレードが回転ブレードであり、前記回転ブレードの中心から前記気体を前記砂地に吹込んでもよい。
前記資源が揮発性物質であり、前記揮発性物質を含む前記気体の上昇流を前記砂地の上方でトラップしてもよい。
［５］ 前記砂地の流動化した領域を側方から側壁体によって囲み、前記資源が側方へ流出することを防止する、［１］〜［４］の何れか一項に記載の資源採掘方法。
前記側壁体を加熱してもよい。
前記資源が水であってもよい。
前記気体が水素であり、前記砂地中に存在する酸化物を前記水素によって還元し、前記資源として水を得てもよい。
前記砂地が月レゴリスであってもよい。
前記砂地が地球外の天体の地表を形成していてもよい。
［６］ ［２］に記載の資源採掘方法に使用される資源採掘システムであって、加熱された気体を前記砂地に吹込む管と、気化された前記資源を地上でトラップする覆い体と、を備えた資源採掘システム。
前記資源採掘システムは、さらに、前記砂地をかき混ぜるブレードを備えてもよい。
前記資源採掘システムの前記ブレードが回転ブレードであってもよい。
前記ブレードのシャフトに前記管が挿通されていてもよい。
［７］ さらに、前記砂地の流動化した領域を側方から囲み、前記資源が側方へ流出することを防止する側壁体を備えた、［６］に記載の資源採掘システム。
前記資源採掘システムは、さらに、吹込む前の前記気体を加熱する加熱装置を備えてもよい。

本発明の資源採掘方法及び資源採掘システムによれば、砂地を流動化して液体のように取り扱うことができるので、砂を持ち上げて他の場所へ運搬する必要がない。流動化した砂地の中に機器や器具を差し入れて容易に操作できるので、砂地に埋もれている氷塊等の資源に容易に到達して採掘することができる。
本発明の資源採掘方法及び資源採掘システムは月面に限らず、地球においても同様に実施することができる。月面における重力は地球上の１／６であるため、気体の吹込みによって砂地を流動化させることは地球上よりも容易である。

砂地Ｓに埋もれている氷塊Ｍを採掘する様子の一例を示す模式図である。 砂地Ｓに埋もれている氷塊Ｍを採掘する様子の別の一例を示す模式図である。 砂地Ｓに埋もれている氷塊Ｍを採掘する様子の別の一例を示す模式図である。

＜資源採掘方法＞
本発明の資源採掘方法は、砂地に気体を吹込みながら、前記砂地を流動化した状態で、前記砂地に埋もれている資源を採掘する方法である。
以下、図面を参照して実施形態の一例を説明する。図１の例では、砂地Ｓの地下約１メートル以下に氷塊Ｍが埋もれている。氷塊Ｍの鉛直上方には資源採掘システム１０が設置されている。

資源採掘システム１０は、気体吹込み装置１と、気体Ｇを噴出して砂地Ｓに吹込む管であるノズル２と、砂地Ｓをかき混ぜるブレード３と、資源である揮発性物質を地上（地表よりも上方）でトラップする覆い体４とを少なくとも備えている。

資源採掘システム１０を月面で稼働させる場合の動力源としては、例えば二次電池、太陽電池や核燃料電池などの電力が挙げられる。ノズル２及びブレード３の駆動力は図示しない電気モーターによって得る。また、地球上で稼働させる場合には、電力の他、燃料の燃焼を利用した公知の動力源を適用できる。

気体吹込み装置１から、氷塊Ｍに向けてノズル２を下ろし、砂地Ｓの地表Ｅにノズル２が達した時点で、先端２ａから砂地Ｓの内部へ気体Ｇを吹込む。気体Ｇの吹込みを継続すると気体Ｇが砂粒子間に拡散し、砂粒子間の摩擦が低減する結果、砂地Ｓが流動化する。気体Ｇの拡散を促進するために、ノズル２の先端２ａに設置されたブレード３で砂地Ｓをかき混ぜる。ブレード３で砂地Ｓを掘削することにより、砂地Ｓのかさ密度を小さくすることができる。ブレード３は鉛直下方に向けた複数の刃を有する回転ブレードであり、シャフトを中心として回転する。回転ブレードのシャフトの中にはノズル２が挿通されている。

気体Ｇが吹込まれて流動化した砂地Ｓは液体のように流動化した領域（流動床）Ｆを形成する。気体Ｇを吹込みながらノズル２及びブレード３を徐々に砂地Ｓの深部へ挿入すると、流動化と挿入が連動し、容易に深部にある氷塊Ｍへ到達する。

次に、氷塊Ｍを溶解し、生成した水をさらに気化する程度に熱い気体Ｇを、ノズル２を通して氷塊Ｍに吹込むことによって、ノズル２の周辺に水蒸気Ｖａを発生させる。水蒸気Ｖａは気体Ｇの上昇流に混合されて砂地Ｓの地表Ｅまで上昇し、上方へ開放される。

資源採掘システム１０は、流動床Ｆの地表を覆う覆い体４と、覆い体４の配管４ａに接続された貯留装置５を備えている。砂地Ｓの地表Ｅで開放された気体Ｇ及び水蒸気Ｖａを覆い体４によってトラップする。トラップした水蒸気Ｖａの一部は覆い体４の内部で冷却されて液化した水となるのでこれを収集する。さらにトラップした気体Ｇ及び水蒸気Ｖａを貯留装置５へ誘導し、水蒸気を冷却することにより液化して、目的の水Ｗを得る。貯留装置５へ誘導された気体Ｇを回収し、気体吹込み装置１へ戻して再利用することが好ましい。図では再利用する気体Ｇ’を気体吹込み装置１へ戻す様子を矢印で示している。
水蒸気Ｖａとともに砂粒子が貯留装置５へ誘導される場合には、後述のようにサイクロン等で砂粒子を分離し、廃棄すればよい。図では、分離した砂粒子Ｓ’を貯留装置５から廃棄する様子を矢印で示している。

氷塊Ｍに水以外の揮発性物質が含まれている場合、及び氷塊Ｍが水以外の揮発性物質によって形成されている場合にも上記と同様に、揮発性物質を資源として採掘することができる。このような揮発性物質としては、例えば、メタン、アンモニア、水素ガス、一酸化炭素、二酸化炭素等が挙げられる。

ノズル２から砂地Ｓに吹込む気体Ｇの供給圧力としては、例えば、０．０１ＭＰａ〜１００ＭＰａが挙げられる。
上記範囲の下限値以上であると、砂地Ｓの流動性をより一層高めることができる。
上記範囲の上限値以下であると、地表Ｅにおいて砂の粒子が過度に舞い上がることを防止できる。
前記供給圧力は、ノズル２の先端２ａの深度に応じて変化させてもよい。また、月面で実施する場合は、重力が地球の１／６であるため、地球と比べて少ない供給量で砂地Ｓの流動性を高めることができる。
ノズル２の先端２ａには、砂やレゴリスの侵入を防ぎ、気体Ｇの拡散を促すためのフィルターを備えていてもよい。フィルターとしては例えば焼結金属などによって形成されたものが挙げられる。

ノズル２から砂地Ｓに吹込む気体Ｇの温度は、ノズルの先端２ａが氷塊Ｍに達してから高めてもよいし、ノズルの先端２ａが氷塊Ｍに達する前に高めてもよい。前記資源の埋もれた位置の雰囲気温度よりも高い温度に気体Ｇを加熱して砂地Ｓに吹込むと、砂地Ｓが乾燥するので、砂地Ｓの流動性を高めることがより一層容易になる。また、氷塊Ｍに達する以前に砂地Ｓに含まれている前記資源を気化させて採取することができる。

砂地Ｓを構成する砂の化学的な組成、及び砂の粒子の平均粒径は特に限定されない。乾燥した状態で粉体になる組成及び粒径であればよい。砂地Ｓを構成する砂が粘土状に塊をつくる性質を有している場合にも、熱した気体Ｇによって粘性を軽減し、さらにブレード３によって塊を粉砕することにより、砂地Ｓの流動性を高められる場合がある。

砂地Ｓは地球上のレゴリス（堆積層）であってよく、月面の地表を構成する月レゴリスであってもよく、地球及び月以外の天体の地表を構成する砂地やレゴリスであってもよい。

砂地Ｓの流動性を容易に高める観点から、砂地Ｓに含まれる砂粒子の平均粒径は１〜１０００μｍであることが好ましい。

気体Ｇの組成としては、例えば、空気、水素、ヘリウム、窒素等が挙げられる。地球で実施する場合には大気を構成する空気を使用できる。月面などの地球外の天体で実施する場合には、例えばロケットの燃料としても用いられる水素、水を電気分解して得られる酸素や水素を使用できる。水素は還元力を有するので、高温に熱した状態で砂地Ｓに吹込むと、砂地Ｓに含まれる鉱物由来の酸化物を還元して水を生成し、水蒸気を発生させることができる。したがって、氷塊Ｍが存在しなくとも、酸化物が存在すれば水素還元力を利用して水蒸気を採掘することが可能である。

気体吹込み装置１は、コンプレッサーと気体の加熱器とを有する。コンプレッサーによりノズル２を介して気体Ｇを砂地Ｓへ吹込む。気体Ｇは加熱器によって必要に応じて例えば５０〜１０００℃程度に加熱される。

図２に示す資源採掘システム２０は、砂地Ｓの流動化した領域（流動床）Ｆを側方から囲み、前記資源が側方へ流出することを防止する側壁体６を備えている。側壁体６の上部は覆い体４と接続されていることが好ましく、側壁体６と覆い体４が一体物であることがより好ましい。流動床Ｆで発生した水蒸気Ｖａは側方へ拡散せず、側壁体６に誘導されながら上昇し、地表Ｅで開放され、さらに覆い体４でトラップされ、貯留装置５で収集される。その他の構成は、資源採掘システム１０と同じである。

図３に示す別の実施形態である資源採掘システム２０おいては、ノズル２がブレード３のシャフト３ａと独立している。図ではノズル２を１本示しているが、図示しない別のノズル２がシャフト３ａを中心として同心円状に複数備えられている。シャフト３ａは気体吹込み装置１に接続されて、動力の供給を受けながら駆動する。駆動方向は、シャフトを中心とした回転のみであることが好ましい。また地上にある覆い体４と地下にある側壁体６が一体化されている。その他の構成は、資源採掘システム１０と同じである。

図３の資源採掘システム２０によれば、シャフト３ａと独立した複数のノズル２が気体を吹込むので、砂地Ｓにおける気体Ｇの吹込み効率が高まり、砂地Ｓをより一層容易に流動化させることができる。各ノズル２は側壁体６の内側面に固定されていてもよいし、気体を吹込みながら各ノズル２を移動させてもよい。

資源採掘システム１０，２０が有するノズル２は一本に限らず、複数本を有していてもよい。複数本のノズル２を有する場合、各ノズルが吹込む気体の種類は同一でもよいし、異なっていてもよい。

資源採掘システム１０，２０が有する側壁体６を加熱することにより砂地Ｓに熱を伝導することもできる。熱を伝導することにより、氷塊Ｍや砂地Ｓに存在する揮発性物質を気化させて資源として得ることができる。側壁体６を加熱する機器としては、例えば、ヒーター、太陽光集光システム、マイクロウェーブ照射装置が挙げられる。これらの機器を用いて、砂地Ｓを直接的に加熱してもよい。

以上では、気体Ｇによって砂地Ｓに埋もれる資源を気化させて地表Ｅへ上昇させて採掘する方法を説明したが、本発明はこの方法に限定されない。他の方法としては、砂地Ｓの中で氷塊Ｍを液化して、生成した水を吸引して地表Ｅへ引き上げてもよい。また、別の方法としては、氷塊Ｍを液化せず、気体Ｇの吹込みによって流動化させた砂地Ｓに、ショベルカーのアームを差し入れ、アーム先端のバケットで氷塊Ｍを掘削して取り上げてもよい。

（作用効果）
本発明の資源採掘方法によれば、気体の吹込みによって砂地を流動化した状態にするので砂地の中を掘削機や器具が容易に移動できる。つまり砂を容易にかき分けて資源にほぼ直接的に接触できるので、砂地Ｓを構成する砂を他の場所へ運搬する必要が無く、砂の混入が少ない資源を容易に得ることができる。また、資源が揮発性物質である場合には、資源を加熱することによって地表にまでほぼ自然に到達させることができるので、より一層容易に資源を得ることができる。

＜資源採掘システム＞
本発明の資源採掘システムは、本発明の資源採掘方法に使用されるシステムであって、加熱された気体を前記砂地に吹込む管と、気化された前記揮発性物質を地上でトラップする覆い体と、を備えている。図１〜３で示した模式図は資源採掘システムの一例であるが、本発明はこれらの実施形態だけに限定されるものではない。

資源採掘システム１０，２０は、少なくとも気体Ｇを砂地Ｓに吹込むノズル２と、覆い体４とを有し、さらに気体吹込み装置１と、砂地Ｓをかき混ぜるブレード３と、気体Ｇを貯留する貯留装置５と、砂地Ｓにおいて揮発性物質の側方への流出を防止する側壁体６とを有する。気体吹込み装置１は、気体Ｇを噴射するための圧力を高めるコンプレッサー又はタービン、ノズル２及びブレード３を伸縮したり移動したり回転させたりする駆動装置、気体Ｇを加熱する加熱装置、気体Ｇの生成装置等を有していてもよい。

前記コンプレッサー、前記タービン、前記駆動装置、前記加熱装置、及び前記生成装置は、公知の装置を適用できる。気体Ｇの生成装置としては、例えば、水を電気分解して水素を得る装置が挙げられる。さらに、亜硝酸アンモニウムを熱分解して窒素ガスと水を得る化学反応を利用した気体Ｇの生成装置も挙げられる。

ノズル２は気体Ｇを流通可能な管であればよく、気体Ｇの温度、腐食性等を考慮して、例えば、樹脂製管、硬質塩化ビニル被覆鋼管、ステンレス管、インコネル製管等の公知の管が挙げられる。ノズル２の直径としては、例えば、１ｃｍ〜１００ｃｍが挙げられる。
資源採掘システムが有するノズル２の本数は１本に限定されず、２本以上であってもよい。

資源採掘システムで使用するブレード３は、地面や壁面を掘削する掘削機、流体を流すタービン、航空機や風車等で用いられる公知のブレードでもよいし、公知のブレードを適宜改造したものでもよい。ブレード３が回転ブレードである場合、その半径は、例えば、１ｃｍ〜５ｍとすることができる。回転ブレードは、回転速度１〜１０，０００ｒｐｍ程度で運転できるものが好ましい。
資源採掘システムが有するブレード３の数は１つに限定されず、２つ以上であってもよい。

覆い体４は、掘削する領域の地表Ｅの少なくとも一部を覆う構造体であり、砂地Ｓの中から上昇してくる揮発性物質の少なくとも一部をトラップする構造を有する。揮発性物質のトラップの効率を高める観点から、覆い体４はドームであることが好ましい。ここで、
ドームの構造は、覆い体４の天井と側壁とが接合した状態で地表にＥに設置した構造、すなわち上部が開放された容器の天地をひっくり返した状態で地表Ｅに設置した構造をいう。覆い体４がドームであることにより、覆い体４の外部と内部とを隔離し、覆い体４の内部の気密性を高めて、揮発性物質をトラップする効率を高めることができる。

気体吹込み装置１の本体の設置箇所は、図示したように覆い体４の外部であってもよいし、内部であってもよい。

覆い体４を構成する部材は特に限定されず、例えば、金属、樹脂等によって形成された板状部材、シート状部材が挙げられる。前記金属としては、ステンレス、チタン合金、インコネル等が挙げられる。前記樹脂としては公知の樹脂、例えばエンジニアリングプラスチックが挙げられる。
前記部材の厚みとしては、例えば０．１ｍｍ〜１００ｃｍが挙げられ、０．１ｍｍ〜５ｍｍが好ましい。覆い体４を月面に設置する場合、重力が地球よりも小さく、風などの外乱がないので、薄い部材であっても構造的強度を充分に維持できる場合がある。

覆い体４でトラップした揮発性物質及び気体Ｇを貯留装置５に誘導する方法として、覆い体４を貫通する配管４ａを備えていることが好ましい。また、配管４ａを通して揮発性物質及び気体Ｇを貯留装置５へ送り込む扇風機等の送風手段を備えていてもよい。

貯留装置５は、覆い体４から誘導された揮発性物質を液化するための冷却器、液化した揮発性物質を貯留するタンクをそれぞれ有することが好ましい。前記冷却器及びタンクは公知のものが適用される。また、覆い体４から揮発性物質とともに砂粒子が誘導される場合には、砂粒子と目的の揮発性物質とを分離する分離装置を有することが好ましい。分離装置としては、例えば、フィルター、遠心分離機、サイクロン等が挙げられる。
また、覆い体４から誘導した水蒸気を冷却せず、高温のまま電気分解して、水素及び酸素を生成し、必要に応じて水素と酸素の両方又は何れか一方を気体吹込み装置１へ導入してもよい。

側壁体６は、砂地Ｓに気体Ｇを吹込み流動化した領域の少なくとも一部を側方から囲む構造体であり、流動化した砂地Ｓの中にある資源が側方へ外れて流出することを防止する構造を有する。側壁体６の具体的な形状としては、例えば筒状が挙げられる。前記筒状としては、例えば、円筒状、楕円筒状、四角筒状、その他の筒状が挙げられる。

側壁体６の上部は、地表Ｅの近傍で覆い体４と接続してもよく、さらに両者が一体化してもよい。接続又は一体化することによって、側壁体６と覆い体４で囲む空間の気密性を高めて、資源をより効率よく得ることができる。

資源の側方への流出を充分に防ぐ観点から、側壁体６は資源が透過し難い部材によって形成されていることが好ましい。このような部材としては、特に限定されず、例えば、金属、樹脂等によって形成された板状部材、シート状部材が挙げられる。前記金属としては、ステンレス、チタン合金、インコネル等が挙げられる。前記樹脂としては公知の樹脂、例えばエンジニアリングプラスチックが挙げられる。
前記部材の厚みとしては、例えば０．１ｍｍ〜１００ｃｍが挙げられ、０．１ｍｍ〜５ｍｍが好ましい。砂地Ｓが充分に流動化していれば、側壁体６を砂地Ｓの中へ容易に設置することができるので、薄くても問題はない。側壁体６を砂地Ｓへ挿入する際の摩擦を小さくする観点から、側壁体６は薄い方が好ましい。

側壁体６は、側壁体６又は側壁体６によって囲まれた砂地Ｓを加熱するヒーターやマイクロウェーブ発生装置を有していてもよい。前記ヒーター及びマイクロウェーブ発生装置は公知の機器が適用される。

１…気体吹込み装置、２…ノズル、３…ブレード、４…覆い体、５…貯留装置、６…側壁体、Ｅ…地表、Ｆ…流動化した領域、Ｇ…気体、Ｍ…氷塊（資源の一例）、Ｓ…砂地、Ｖａ…水蒸気（資源の一例）、Ｗ…水（資源の一例）

Claims (7)

1. 砂地に気体を吹込みながら、前記砂地を流動化した状態で、前記砂地に埋もれている資源を採掘する、資源採掘方法。
2. 前記気体を、前記資源の埋もれた位置の雰囲気温度よりも高い温度に加熱して前記砂地に吹込み、前記資源を気化させる、請求項１に記載の資源採掘方法。
3. 前記砂地に前記気体を噴出する管を差し込み、前記砂地を流動化しながら、前記管の差し込み深度を深くする、請求項１又は２に記載の資源採掘方法。
4. 前記砂地をブレードでかき混ぜることにより、前記砂地に前記気体を拡散させる、請求項１〜３の何れか一項に記載の資源採掘方法。
5. 前記砂地の流動化した領域を側方から側壁体によって囲み、前記資源が側方へ流出することを防止する、請求項１〜４の何れか一項に記載の資源採掘方法。
6. 請求項２に記載の資源採掘方法に使用される資源採掘システムであって、
   加熱された気体を前記砂地に吹込む管と、
   気化された前記資源を地上でトラップする覆い体と、を備えた資源採掘システム。
7. さらに、前記砂地の流動化した領域を側方から囲み、前記資源が側方へ流出することを防止する側壁体を備えた、請求項６に記載の資源採掘システム。

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