宇宙細胞農業

細胞培養肉 / Cell-based meat

筋肉細胞

バイオリアクター

（大型タンク）

培養液

など

成形・熟成

　⇒出荷

純粋培養肉、「純肉」とも

原料からのエネルギー変換効率

0.1%以下

(管理されていない)

微細藻類4~11%

人工光合成10%+

今後も効率向上が見込まれる

4%

35%

50~90%

Shepon, Eschel et al, IOP Science 2016

http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/11/10/105002/meta

ジャングル大帝

ドラ・海底鬼岩城

Tau Zero

SFでの扱い：宇宙/深海/閉鎖系での食料など生産

火星食料培養工場

無重力ファーム

SFガジェット「培養カプセル」

https://seiga.nicovideo.jp/seiga/im5526417

宇宙での食需要の見通し

三菱総研での想定

https://www.spacefood-x.com/

特殊数名が短期滞在

多数の一般人が定住

状況

​

食料持参

細菌/藻類/昆虫?

元素循環/宇宙農業

特殊数名が定住

食料調達方法

低軌道で ~10人

ISS民営化、宇宙旅行開始�宇宙ホテル開業

月面で ~10人

Lunar Gateway建設

アルテミス計画

​

低軌道で ~100人

宇宙旅行の本格化�宇宙ホテル拡大

月面で 30~60人

Lunar Gateway Phase 2

月面基地の建設

低軌道で 800人

宇宙旅行の一般化�低軌道経由、月行き航路

月面で 200人

月面基地の拡大

月宇宙旅行の本格化

~2025

~2035

~2045

栄養補給が目的

栄養補給が目的

食を通じた社会構築も目的

宇宙食/宇宙農業での要件の見通し

[1]

[1] Developing the NASA Food System for Long‐Duration Missions https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/j.1750-3841.2010.01982.x

JAXAでの検討：宇宙農業の要件定義

１．農業環境の整備

２．持続的農業での生活保障

​

元素循環効率を最大化し、極めて限られた資源で生命維持

​

​

Biological Science in Space,

Vol21 No4 2007 135-141 和田秀徳

https://www.jstage.jst.go.jp/article/bss/21/4/21_4_135/_article/-char/en

NASA

「JAXA式、宇宙農業基本セット」

基礎栄養素:

​

米、大豆、サツマイモ、コマツナなどの青菜、蚕(サナギ)、塩、ドジョウ

​

・100人が20年生活することを想定

・植物だけではビタミンDとB12、蛋白、コレステロール、脂質が欠乏する

・蚕とドジョウで蛋白と脂質を補充

​

Space Utiliz Res 26 2010 ISAS/JAXA 2010 和田秀徳

https://repository.exst.jaxa.jp/dspace/handle/a-is/15406

生鮮食品の輸送

乾燥食品の輸送

昆虫,菌類

培養食料

藻類蛋白

植物工場

栄養、食体験は優れており、元素調達性も高いが、打上重量が非現実的で供給途絶リスクが高く、保存期間要件を満たさない。包装の必要もある。

安定性と栄養に優れるが、元素の調達に藻類培養や植物工場が必要。食体験が劣り、食品加工が必要。

安定性と栄養に優れるが、食体験が劣り、食品加工が必要。

安定性と食体験に優れるが、栄養が偏る

現地生産

安定性と栄養と食体験に優れるが、元素の調達に藻類培養や植物工場が必要。

植物工場と藻類蛋白と培養食料の組み合わせが最も有望？

食料調達方法の比較

細胞培養肉の物質収支の計算例

・一般多数を支える宇宙農業においては、食文化的な受容性が重要になるため、蛋白源を昆虫ではなく食肉に求める必要がある。

・ただし従来の方法での食肉生産では、資源の要求が大きすぎるため、代替手段が求められる。

文献事例

平均食肉消費量

130g/(人・日)

バイオリアクター

200L、1㎡占有、

細胞生産量260g/日

必要原材料

アミノ酸31g

グルコース63g

必要原材料

藻類325g

https://aiche.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/btpr.2941

加水分解装置

10㎡占有、藻類処理量~100kg/日

元素サイクル

炭素

C

リン

P

窒素�N

硫黄�S

宇宙農業での「元素サイクル構築」の観点

・水を電気分解してO2生成

・アルカリ水でCO2を吸収して、石灰藻とスピルリナ(藻類)を培養

・塩水で海藻を育て、高温好気堆肥菌でKを含む肥料をつくる

・土壌の通気性を改善することでCaCO3・CaSO4を除去し、リン酸固定性を低下させる

​

Biological Science in Space,

Vol21 No4 2007 135-141 和田秀徳

​

ほか要検討事項

・桑を栽培し、木材は建築内装へ、蚕を食用へ。

・一部の作物植物は受粉に蜂が必要だが、蜂は0.2気圧でも飛べるのか？

ISRU (In Situ Resource Utilization) ：資源の現地調達

Mars Oxygen ISRU Experiment

火星大気の二酸化炭素から酸素を作る実験装置

各地での調達可能な資源の違い

極地方の氷から、水と水素が調達可能?^[1]

窒素や炭素などの生命必須元素が少ない

月面の砂からコンクリートが作れる？

例:

地下の氷が豊富な場所が基地建設候補地

大気が炭素や窒素を含む(CO2 95%, N2 2%)み、これを用いた農業が可能?^[2]

[1] https://www.pnas.org/content/115/36/8907

[2] https://www.jstage.jst.go.jp/article/bss/21/4/21_4_135/_pdf/-char/en

「汚れた雪だるま」とも呼ばれ、軽元素や各種有機物質も多く含む

ガニメデ、エウロパ、冥王星など、太陽系の外側の天体は、岩石ではなく氷の地殻を持ち、水や軽元素が豊富に存在

想定例1:火星純肉工場”Nirvana Alpha”

汚水処理プール

鉱物資源

K,Na,氷

S,P,金属

低温窒素固定

加熱炉

加水分解

植物工場

細胞培養

藻類培養

居住区等

火星大気

CO2,N2,Ar

加圧

バイオマス

・食料

「火星純肉プラント」システム図

ガスタンク

CO2/窒素

CO2/窒素

​

栄養素

栄養素(糖分/アミノ酸)

窒素

栄養素(NH3)

再処理水

濾過汚泥

酸素

汚水

生物同化

化学同化

栄養素

(S,P,ミネラル)

“Nirvana Alpha”

・大気と鉱物から元素を生物が利用できる形に同化するシステム

・その一環として食料生産と汚泥リサイクルを行う

・必要元素をすべて現地調達する(ISRU)

・同化は化学的方法と生物学的方法(硫黄細菌など)がある。

・汚水処理では、ほぼ濾過のみを行う。

・加熱炉の固体副産物は建材などとして利用する

想定例2: 冥王星バイオマスプラント”Hadean Orgamass”

70℃

常温

原子炉

熱交換器

高温蒸気タービン

低温蒸気タービン

液体窒素タービン

地殻物質

氷, CO2, CH4, N2

発電機

窒素ガス

高温蒸気

低温蒸気

窒素ガス

温水

CO2

少量

NH3

電気

分解

低温窒素固定

水素

改質

植物工場

細胞培養

水素

細菌

少量

CH4

アミノ酸

酸素

水素

CO2

NH3

糖類

液体窒素復水器

岩石類(廃棄)

バイオマス

・食料

氷・ドライアイス

“Hadean Orgamass”

・冥王星の地殻物質と原子力を用いたバイオマス生産拠点

・絶対零度に近いヒートシンクによる、熱効率が100%に近い原子力発電

・液体窒素コンバインドサイクル

・必要元素をすべて現地調達

・バイオプロセスの化学合成での一部置換

藻類

培養

「冥王星プラント」システム図

まとめ

・宇宙開発とともに、需要が宇宙食から宇宙農業へ拡大する。

・JAXAでの検討では、元素循環を念頭に置いた宇宙農業の基本構成が考案されている。

・宇宙での食料生産には、植物工場と藻類と培養食料の組み合わせが最も有望？

・純肉製造では、130g/(日・人)の需要を満たすためには、325g/(日・人)の藻類が必要になる。

・資源の現地調達(ISRU)は「立地」に依存し、宇宙農業の景色は場所によって大きく異なる