New technique for internal exploration of the small bodies with radar and conductive balloon

• Project/Area Number: 19K21891
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 17:Earth and planetary science and related fields
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: Kumamoto Atsushi 東北大学, 理学研究科, 准教授 (00302076)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 宮本 英昭 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (00312992) ; 西堀 俊幸 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 研究開発部門, 研究領域主幹 (80280361) ; 土屋 史紀 東北大学, 理学研究科, 准教授 (10302077) ; 石山 謙 鶴岡工業高等専門学校, その他部局等, 講師 (90783902)
• Project Period (FY): 2019-06-28 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000); Fiscal Year 2020: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2019: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
• Keywords: 小惑星 / 彗星 / 内部構造 / バイスタティックレーダ / 導電バルーン / 地中レーダ / レーダサウンダ / 導電性バルーン

Outline of Research at the Start

小惑星・彗星等の小天体の内部構造推定に有利なバイスタティックレーダ観測（送受信位置が異なるレーダ観測）を単独の探査機搭載レーダで実現する新手法を提案し，その成立性をフィールド実験・計算機実験によって検討することを目的とする．新手法では，導電性を持たせたバルーンを収納したモジュールを小天体表面に降下させ，バルーンを膨らませることで，電波の反射体とし，その反対側の探査機から送受信を行うことで，CTスキャンのような透過波を用いた内部構造推定を可能とする．

Outline of Final Research Achievements

For demonstration of bistatic radar observation of the asteroids by the experiments with scale-down media model, development of linear chirp radar operated in a frequency range of 0.1-1.3 GHz, experiments using scale-down media model (diameter: 0.6 m. including sands, voids, and rocks), and inversion analysis have been performed. Not only the way in which transmitter and receiver were separately installed on two orbiters but also another way in which radar installed on one orbiter and reflector installed on other orbiter were demonstrated. Changing relative locations among the media model, transmitting antenna, receiving antenna, and reflector, the intensity and delay time of echoes scattered within the media model were measured by the radar. By applying Kirchhoff migration to measured data, we could obtain good inversion images of the internal structure of the media model.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

小惑星近傍でレーダ観測を実施して小惑星の内部構造を明らかにすることができれば，小惑星の起源・進化の議論に新たなブレイクスルーが期待される．本研究によって，小惑星の内部探査にバイスタティックレーダ観測が高い有効性をもつことが示された．本研究で得られた成果は，今後，小惑星探査ミッションにレーダによる内部構造探査の観測提案を行っていく上で，観測方式の選択指針や計測データから期待されるアウトプットに関する有益な知見・示唆を与えるものとなっている．計算機シミュレーション以外の方法で小天体のバイスタティックレーダ観測の検討を進める研究手法を開拓できた点でも意義が高い．

Research Products

• [Journal Article] Derivation of Lunar Subsurface Loss Tangent from SELENE Lunar Radar Sounder (2021)
  • Author(s): Kumamoto A. Ishiyama K.
  • Journal Title: Lunar Planet. Sci. Conf. Volume: 52 Pages: 1510-1510
• [Journal Article] FDTD Simulation and Radar Experiments Using Scale-Down Model for Radar Sounding of the Asteroid (2021)
  • Author(s): Kumamoto A. Miyamoto H. Nishibori T. Tsuchiya F. Ishiyama K.
  • Journal Title: Lunar Planet. Sci. Conf. Volume: 52 Pages: 1838-1838
• [Journal Article] Collisional formation of top-shaped asteroids and implications for the origins of Ryugu and Bennu (2020)
  • Author(s): Michel P.、Ballouz R.-L.、Barnouin O. S.、Jutzi M.、Walsh K. J.、May B. H.、Manzoni C.、Richardson D. C.、Schwartz S. R.、Sugita S.、Watanabe S.、Miyamoto H.、Hirabayashi M.、Bottke W. F.、Connolly H. C.、Yoshikawa M.、Lauretta D. S.
  • Journal Title: Nature Communications Volume: 11 Issue: 1
  • DOI: 10.1038/s41467-020-16433-z
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Sample collection from asteroid (162173) Ryugu by Hayabusa2: Implications for surface evolution (2020)
  • Author(s): Morota, T., Sugita, S., Cho, Y., Kanamaru, M., Tatsumi, E., Sakatani, N., Honda, R., Hirata, N. et al.
  • Journal Title: Science Volume: 368 Issue: 6491 Pages: 654-659
  • DOI: 10.1126/science.aaz6306
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Morphology and Morphometry of Sub-kilometer Craters on the Nearside of Phobos and Implications for Regolith Properties (2020)
  • Author(s): HEMMI Ryodo、MIYAMOTO Hideaki
  • Journal Title: TRANSACTIONS OF THE JAPAN SOCIETY FOR AERONAUTICAL AND SPACE SCIENCES Volume: 63 Issue: 4 Pages: 124-131
  • DOI: 10.2322/tjsass.63.124
  • NAID: 130007869265
  • ISSN: 0549-3811, 2189-4205
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Simplified simulated materials of asteroid Ryugu for spacecraft operations and scientific evaluations (2020)
  • Author(s): Miyamoto, H. and Niihara, T.
  • Journal Title: Natural Resources Research Volume: - Issue: 4 Pages: 3035-3044
  • DOI: 10.1007/s11053-020-09626-2
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Estimation of bulk permittivity of the Moon’s surface using Lunar Radar Sounder on-board Selenological and Engineering Explorer (2020)
  • Author(s): Hongo Keigo、Toh Hiroaki、Kumamoto Atsushi
  • Journal Title: Earth, Planets and Space Volume: 72 Issue: 1
  • DOI: 10.1186/s40623-020-01259-2
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Volcanic history in the Smythii basin based on SELENE radar observation (2019)
  • Author(s): Ishiyama Ken、Kumamoto Atsushi
  • Journal Title: Scientific Reports Volume: 9 Issue: 1 Pages: 14502-14502
  • DOI: 10.1038/s41598-019-50296-9
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Derivation of Lunar Subsurface Loss Tangent from SELENE Lunar Radar Sounder (2021)
  • Author(s): Kumamoto A. Ishiyama K.
  • Organizer: 52nd Lunar and Planetary Science Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] FDTD Simulation and Radar Experiments Using Scale-Down Model for Radar Sounding of the Asteroid (2021)
  • Author(s): Kumamoto A. Miyamoto H. Nishibori T. Tsuchiya F. Ishiyama K.
  • Organizer: 52nd Lunar and Planetary Science Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Development of subsurface radar for future Mars, the Moon, and asteroid explorations (2020)
  • Author(s): Kumamoto, A., Miyamoto, H., NIshibori, T., Tsuchiya, F., Ishiyama, K.
  • Organizer: JPGU-AGU Joint Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Permittivity of subsurface on Mars and its importance for electromagnetic wave reflection method such as radar sounder and ground penetrating radar (2020)
  • Author(s): Kobayashi, M., Niihara, T., Miyamoto, H., Kumamoto, A., Nishibori, T.
  • Organizer: JPGU-AGU Joint Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Exploration of Lava tube of the Moon and Mars (2020)
  • Author(s): Haruyama, J., Ono, T., Miyake, W., Kumamoto, A.
  • Organizer: JPGU-AGU Joint Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Search of shallow subsurface reflectors in Chryse and Acidalia Planitiae on Mars (2020)
  • Author(s): Oura, A., Y. Kasaba, A. Kumamoto, R. Noguchi, K. Ishiyama, F. Tsuchiya, T. Usui, C. Uemura
  • Organizer: JPGU-AGU Joint Meeting 2020
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] FDTD 法に基づいた小惑星内部探査の基礎研究 (2020)
  • Author(s): 石山謙, 熊本篤志
  • Organizer: 日本惑星科学会2020年秋季講演会
• [Presentation] 火星のクリュセおよびアキダリア平原における地下構造の探索 (2020)
  • Author(s): 大浦愛菜, 笠羽康正, 野口里奈, 熊本篤志, 石山謙, 臼井寛裕, 土屋史紀, 植村千尋, 木村智樹
  • Organizer: 日本惑星科学会2020年秋季講演会
• [Presentation] 月・火星・小惑星地下探査レーダ試作機 を用いた検証実験 (2020)
  • Author(s): 熊本 篤志, 宮本 英昭, 西堀 俊幸, 土屋 史紀, 石山 謙
  • Organizer: 日本惑星科学会2020年秋季講演会
• [Presentation] レーダによる月表層・小惑星内部探査の計算機実験 (2019)
  • Author(s): 熊本篤志，宮本英昭，西堀俊幸，土屋史紀，石山謙
  • Organizer: 日本惑星科学会2019年秋季講演会
• [Presentation] 火星のコプラテスカズマにおける地下氷圏の分布可能性検討 (2019)
  • Author(s): 野口里奈, 石山謙, 熊本篤志,植村千尋, 笠羽康正, 臼井寛裕, 大浦愛菜
  • Organizer: 日本惑星科学会2019年秋季講演会
• [Presentation] FDTD電磁界シミュレーションに基づくUHF帯GPRによる月表層の氷検出可能性の検討 (2019)
  • Author(s): 熊本 篤志、宮本 英昭、西堀 俊幸、新原 隆史、土屋 史紀、石山 謙
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [Presentation] Preliminary examination of mineral structure effect on relative permittivity (2019)
  • Author(s): 小林 真輝人、新原 隆史、宮本 英昭
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [Presentation] Search of shallow subsurface reflectors around RSLs in Martian Chryse and Acidalia planitiae by the MRO/SHARAD public data (2019)
  • Author(s): 大浦 愛菜、笠羽 康正、熊本 篤志、野口 里奈、臼井 寛裕、石山 謙、植村 千尋
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [Presentation] 月火星の縦孔と溶岩チューブとその天窓となる縦孔を通しての探査 (2019)
  • Author(s): 春山 純一、岩田 隆浩、山本 幸生、郭 哲也、三宅 亙、熊本 篤志、石山 謙、横田 康弘、大野 匠
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [Presentation] 戦略的火星探査：周回・探査技術実証機による火星宇宙天気・気候・水環境探査計画 (2019)
  • Author(s): 関 華奈子、渡部 重十、中本 泰史、寺田 直樹、山崎 敦、松岡 彩子、臼井 寛裕、関根 康人、藤田 和央、横田 勝一郎、笠原 慧、斎藤 義文、中川 広務、熊本 篤志、前澤 裕之、火星宇宙天気・気候・水環境探査計画 検討チーム
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [Presentation] OKEANOS：ソーラー電力セイルによる木星トロヤ群小惑星の探査とさらなる遠方への挑戦 (2019)
  • Author(s): 岡田 達明，(19名)，熊本篤志，(22名)
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合2019年大会
• [Presentation] High-resolution Ground Penetrating Radar for Mapping Structures of Putative Ice Deposits on the Moon (2019)
  • Author(s): Miyamoto, H., Kumamoto, A., Nishibori, T., Niihira, T., Sato, M., Sensyu, H., Iwata, T., Kobayashi, M., Tsuchiya, F. and Tsuji, T.
  • Organizer: Asia Oceania Geoscience Society (AOGS) 16th Annual Meeting
  • Int'l Joint Research