火星の空気からロケット燃料を作る——銅の極小触媒がメタンを選び出す

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火星へ人を送る計画で、意外と後回しにされがちなのが「帰りの燃料をどうするか」です。往路の分だけ積んで行けばよいわけではなく、帰ってくるにも同じかそれ以上の燃料がいる。これを地球からまるごと運ぶと、打ち上げるロケットの規模が跳ね上がります。そこで出てくるのが、燃料を火星で作ってしまう、という考え方です。

今回紹介するのは、火星の大気のほとんどを占める二酸化炭素から、電気の力でロケット燃料のメタンを取り出す触媒の研究。銅をナノメートル以下の大きさまで刻み、窒素を含む炭素の土台に固定したもので、できる炭素化合物のほぼすべてをメタンに寄せることができたと報告しています。2026年4月に化学の専門誌 ACS Catalysis に載った論文で、9月に入って大学のプレスリリースと海外メディアが取り上げました。

持っていくか、向こうで作るか

火星の大気は地表の気圧が地球の1％にも届かないほど薄いのですが、成分の約96％は二酸化炭素です。二酸化炭素は炭素と酸素でできているので、ここに水素をつなげばメタン（CH₄）に、酸素を切り離せば酸化剤の液体酸素になる。どちらもいまのロケットが実際に使っている推進剤です。SpaceXのスターシップに載るラプターエンジンも、液体メタンと液体酸素の組み合わせで飛びます。

「その場にあるものを材料に使う」というこの考え方は、宇宙開発の分野で現地資源利用（ISRU）と呼ばれ、以前から本命視されてきました。NASAの火星探査車パーサヴィアランスには、火星の二酸化炭素から酸素を作る実験装置MOXIEが積まれ、2021年から2023年にかけて実際に酸素を作り出しています。酸素の側は火星の現地で動く実績がある。残るのは燃料の側で、その有力候補がメタンです。

電気で二酸化炭素をほどく

二酸化炭素をメタンに変える方法はいくつかあります。今回の研究が使ったのは電気化学的還元と呼ばれる手法で、要するに電気分解の一種です。水に電極を2本入れて電流を流すと、プラス側の電極で水が酸素を放して電子を出し、マイナス側の電極ではその電子を二酸化炭素が受け取って、酸素を手放しながら水素とつながっていきます。

おもしろいのは、マイナス側の電極に何を触媒として置くかで、できあがる物質が変わることです。金を使えばほぼ一酸化炭素で止まる。銅を使うともっと先まで反応が進んで、メタンやエチレン、エタノールといった、より炭素と水素の多い化合物ができる。銅は「先まで進める」力が強いぶん、いろいろな物質が混ざって出てくるのが弱点でした。

研究チームが手を入れたのは、この銅の形と周りの環境です。銅の原子を3個ほどの塊、つまり1ナノメートルに届かない大きさの粒にして、それを窒素を混ぜた炭素の土台の上に固定する。土台側には窒素4つで囲まれた銅の単原子が埋まっていて、その真上に小さな塊が乗る構造になっています。窒素を含む前駆体と銅を一緒に加熱する一段階の焼成でこの構造ができ、焼く温度で塊の大きさや窒素との結びつき方を調整できるのだそうです。

上の画像のように、平らな土台の上に極小の粒が点々と乗り、そこへ二酸化炭素が寄ってきてメタンになって離れていく、というのがこの触媒の働き方です。研究チームは分光分析と計算化学の両方から、550℃で焼いたものがもっともメタン寄りの性質を持つことを突き止めています。さらに、電流を一定ではなくパルス状に流すこと、電極の表面の水はじきを調整して気体と液体と固体が出会う境目の条件を整えることを組み合わせて、最終的な性能を引き出しました。

「ほぼ純粋」の中身を数字で見る

報道では「ほぼ純粋なメタンができる」と紹介されています。ただ、論文の数字はもう少し慎重に読む必要があります。

電気化学の世界では、流した電気のうち何割がねらった物質を作るのに使われたかを、ファラデー効率という値で表します。この研究で、メタンに向かったのは53％。二酸化炭素から出る他の化合物、つまり一酸化炭素やエチレン、エタノールなどの合計は4％未満に抑えられています。そして残りの4割ほどは、二酸化炭素とは関係なく水そのものが分解されて出てくる水素です。

つまり、出てくるガス全体が純メタンなのではなく、「炭素を含む生成物に限れば、ほぼメタン一本にそろった」というのが正確なところです。

それでも、この結果はメタン燃料の現地生産にとって意味のある一歩です。理由は、混ざるものの「質」が変わったからです。銅触媒でいつも困っていたエチレンやエタノールは、性質がメタンに近く、分けるのに手間のかかる装置がいります。地球の化学プラントならそういう装置を並べればよいのですが、1キログラム増えるごとに打ち上げコストが膨らむ火星行きの荷物には載せにくい。一方、残った水素は沸点がメタンよりはるかに低く、冷やすだけでも分けやすい。しかも水素は捨てる必要がなく、それ自体が燃料や還元剤として使えます。研究者自身も、火星では地球のような大がかりな分離・精製設備を前提にできない以上、推進剤として使える純度に近づける段階まで反応の側で寄せておくことが技術的な要だ、と述べています。

もう一つ、この触媒が注目されるのは、実用に近い電流の大きさでこの選択性を保ったことです。メタン向けの銅触媒は以前からありましたが、電流を増やして生産速度を上げると選択性が崩れるものが多かった。この研究では、メタン分の電流密度で1平方センチメートルあたり約321ミリアンペアという、工業的に意味のある水準を出しています。

火星の前に、地球で

火星の話として始まった研究ですが、同じ反応は地球でも使えます。メタンは天然ガスの主成分で、燃料としても、より価値の高いアルコール類などを作る原料としても使われている。工場の排気から集めた二酸化炭素と再生可能エネルギーの電気からメタンを作れれば、地中から掘り出す化石由来の炭素を減らせる、というのがチームの見立てです。

ただし、ここでも研究者は慎重です。空気から二酸化炭素を取ってメタンにし、それを燃やせば、同じ二酸化炭素が空気に戻る。差し引きゼロで、排出を減らすことにはなっても、大気から炭素を取り除いたことにはならない。二酸化炭素を長く固定しておける製品に変える「差し引きマイナス」の道筋こそが本当に目指す先で、そこまではまだ届いていない、と研究を率いたアーメド・バドレルディンさん（ミシシッピ大学）は語っています。

研究チームには、NASAの助成のもとで触媒の材料や周囲の環境をさらに調整し、メタンへの選択性と長時間の安定性を上げていく計画があります。火星でこの装置を動かすには、電気と水も現地で確保する必要があり、燃料生産はその一部にすぎません。それでも、「重いものを運ぶか、軽い装置を持って行って向こうで作るか」という問いに対して、化学の側から具体的な数字を積み上げる研究が続いている。火星に人が立つ日の帰り道は、こうした地味な積み重ねの上に用意されていくのだと思います。

画像について

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出典

Ahmed Badreldin ほか「Sub-Nanometer Nanoclusters of Copper Atop Single-Atom Copper Moieties toward Electrochemical CO2 Hydrogenation to Methane」ACS Catalysis 16(9), 8081–8097（2026年4月10日、オープンアクセス）
https://doi.org/10.1021/acscatal.5c09141

ミシシッピ大学プレスリリース「Ole Miss, Texas A&M Engineering Partner to Fuel Martian Exploration」（2026年9月8日）
https://olemiss.edu/news/2026/09/ole-miss-texas-am-engineering-partner-to-fuel-martian-exploration/index.html

Space.com「Making rocket fuel out of Mars’ thin air: New breakthrough could make it happen」（Keith Cooper、2026年9月15日）
https://www.space.com/astronomy/mars/making-rocket-fuel-out-of-mars-thin-air-new-breakthrough-could-make-it-happen