閉鎖生態系生命維持システム（CELSS）における物質循環効率の最適化：火星長期居住の鍵
序論：火星長期ミッションにおけるCELSSの重要性
火星における人類の持続的な長期居住ミッションを達成するためには、地球からの物資補給に依存しない、自律性の高い生命維持システムの確立が不可欠であります。閉鎖生態系生命維持システム（CELSS: Controlled Ecological Life Support System）は、人類が居住する空間内の空気、水、食料、廃棄物などを物理化学的および生物学的なプロセスによって循環・再生し、外部からの資源投入を最小限に抑えることを目的とした高度な技術体系です。特に火星環境においては、地球と比較して低い重力、高い放射線レベル、そして稀薄な大気といった極限的な条件下での運用が求められ、システムの高い信頼性と、とりわけ物質循環効率の最大化が喫緊の課題として認識されています。
CELSSの基本原理と構成要素
CELSSの基本原理は、酸素・二酸化炭素の交換、水の浄化・再利用、食料生産、そして廃棄物の処理・再利用という四大要素を閉鎖空間内で完結させることにあります。これらのプロセスは、主に以下のサブシステムによって実現されます。
- 植物栽培モジュール: 食料生産、CO2吸収、O2生成、水の蒸散を担います。最適な光合成効率とバイオマス収量を確保するため、光（LEDスペクトル、光周期）、温度、湿度、CO2濃度、養液組成などの環境因子が厳密に制御されます。
- 水再生システム: 居住者からの排泄物（尿、汗）、植物の蒸散水、凝縮水などから飲用水や栽培用水を再生します。物理化学的アプローチ（膜分離、蒸留、触媒酸化）と生物学的アプローチ（微生物による分解）が組み合わされます。
- 大気制御システム: 居住空間内のCO2濃度を適正に保ち、O2レベルを維持し、微量汚染物質（Trace Contaminant）を除去します。CO2除去には物理吸着剤やサバティエ反応器が用いられ、O2生成には電気分解や植物光合成が利用されます。
- 廃棄物処理システム: 食料残渣、非可食性植物バイオマス、人間の排泄物などを分解し、植物の養分として再利用可能な形態に変換します。好気性/嫌気性微生物分解、超臨界水酸化（SCWO: Supercritical Water Oxidation）、熱分解などが検討されています。
これらのサブシステムが相互に密接に連携し、物質のフローを最適化することがCELSSの機能の中核を成します。
物質循環効率の最適化に向けた最新の研究動向
CELSSの閉鎖度を高め、外部からの補充を最小限に抑えるためには、システム内の全ての物質（特に炭素、窒素、酸素、水素、リン、カリウムなどの主要元素）の循環効率を極限まで高める必要があります。
1. 高効率植物栽培技術
植物栽培では、生産性を最大化しつつ、非可食部バイオマスの利用効率も考慮されます。 * LEDスペクトル最適化: 各植物種および成長段階に応じた最適なLED光スペクトルと光量の制御により、光合成効率と栄養価を向上させる研究が進められています。例えば、青色光は栄養生長、赤色光は生殖生長を促進することが知られており、これらのバランスを動的に調整するシステムが開発されています。 * 高CO2濃度環境栽培: 火星大気から回収可能なCO2を積極的に利用し、地球上の大気濃度よりもはるかに高いCO2濃度（例: 1000 ppm以上）での植物栽培による光合成促進効果が検証されています。ただし、これには適切な換気と湿度管理が不可欠です。 * 完全水耕栽培・エアロポニックス: 培地を必要としないこれらのシステムは、土壌由来の微生物汚染リスクを低減し、養液の精密制御を可能にします。廃液の再利用も容易であり、物質循環効率向上に貢献します。
2. 先進的な水再生・廃棄物処理技術
水の完全なリサイクルと廃棄物からの養分回収は、閉鎖系システムの鍵となります。 * 膜バイオリアクター（MBR）と膜蒸留（MD）: MBRは廃水中の有機物を分解し、膜ろ過により高効率で清澄な処理水を得ます。MDは廃水を蒸発させ、気化した水蒸気を膜を介して凝縮させることで、不揮発性の汚染物質を確実に除去し、高純度の水を回収します。これらの技術はNASAのISS（国際宇宙ステーション）での実績があり、火星環境への応用が期待されます。 * 超臨界水酸化（SCWO）: 有機性廃棄物や難分解性物質を水が超臨界状態（温度374℃以上、圧力22.1 MPa以上）の環境下で酸素により完全に酸化分解する技術です。これにより、残渣が少なく、無害な水、CO2、無機塩として回収され、養分として植物栽培に再利用可能になります。これは欧州宇宙機関（ESA）のMELiSSAプロジェクトにおいても重要な研究テーマとされています。 * 微生物生態系の利用: MELiSSAプロジェクトでは、嫌気性微生物、光合成微生物（例: スピルリナ）、好気性微生物、食用植物を段階的に配置した循環システムが構築されており、廃棄物から最終的に食用バイオマスを生産することを目指しています。これは、火星でのISRU（In-Situ Resource Utilization）と組み合わせることで、初期投入物質の削減にも寄与する可能性を秘めています。
3. AI/機械学習によるシステム統合と最適化
多数の変数と相互作用を含むCELSSは、その複雑性からAI/機械学習による高度な制御と最適化が不可欠です。 * リアルタイム監視と予測モデリング: 各サブシステムからのセンサーデータ（温度、湿度、CO2、O2、栄養塩濃度、微生物活性など）をAIが解析し、異常検知、故障予測、最適な環境条件の提案を行います。 * 物質フロー最適化: システム全体の物質バランスモデルに基づき、AIが各サブシステムの稼働状況を調整し、循環率を最大化すると同時に、エネルギー消費を最小限に抑えるための制御戦略を策定します。例えば、植物の成長予測モデルと廃棄物分解モデルを統合し、必要な食料生産と廃棄物処理の同期を図ります。
工学的課題と今後の展望
CELSSの火星での実現には、技術的、工学的に依然として多くの課題が残されています。
1. システムの信頼性とロバスト性
長期ミッションにおいては、単一障害点のリスクを最小化し、システム全体の冗長性とフォールトトレランスを高める必要があります。構成要素の耐久性向上、モジュール化、そして自己修復能力の導入が検討されています。宇宙放射線環境下での電子部品や生物学的プロセスの安定性確保も重要な課題です。
2. 小型化・軽量化・省エネルギー化
火星への輸送コストは極めて高いため、システムの小型化と軽量化は必須です。また、火星での限られた電力供給の中で、高効率なエネルギー利用が求められます。これは、各サブシステムのコンポーネントレベルでの最適化、再生可能エネルギー源（太陽光発電、地熱利用など）との統合、そしてAIによるエネルギー管理を通じて解決される必要があります。
3. 閉鎖度と初期投入物質のバランス
理論的な完全閉鎖系は現実的には困難であり、システムのリークや非効率性から、微量の物質の補充は避けられません。火星大気からのCO2、地下水氷からの水、そしてレゴリスからのミネラル（例えば、カルシウム、マグネシウム、鉄など）といったISRU技術との統合により、外部からの投入を最小限にする戦略が不可欠です。
4. 人間の生理的・心理的要素の統合
居住者の生理的ニーズ（多様な食料、快適な居住環境）や心理的健康（緑の存在、自然光の再現）もCELSS設計において考慮されるべき重要な要素です。例えば、植物栽培モジュールは食料供給だけでなく、居住者の精神的なウェルビーイングにも寄与します。
将来的には、CELSSは火星における初期居住拠点の生命線となるだけでなく、より大規模なテラフォーミング計画の初期段階における技術的基盤としても位置づけられます。火星の局所的な生態系を構築し、最終的には惑星規模の環境改造へと繋がる第一歩として、CELSSの研究開発は惑星科学と宇宙工学の融合分野として今後もその重要性を増していくでしょう。この分野における継続的なブレークスルーが、火星への人類の永続的な足跡を可能にする鍵となります。