レーザーを熱源とする炭素フリーのアルミニウム製錬法の開発

• Project/Area Number: 20K20542
• Research Category: Grant-in-Aid for Challenging Research (Pioneering)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Medium-sized Section 24:Aerospace engineering, marine and maritime engineering, and related fields
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 小紫 公也 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (90242825)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 中野 正勝 東京都立産業技術高等専門学校, ものづくり工学科, 教授 (90315169) ; 松井 信 静岡大学, 工学部, 准教授 (90547100)
• Project Period (FY): 2020-07-30 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥26,000,000 (Direct Cost: ¥20,000,000、Indirect Cost: ¥6,000,000); Fiscal Year 2025: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2024: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2023: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2022: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2021: ¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000); Fiscal Year 2020: ¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
• Keywords: エネルギー全般 / レーザー / プラズマ / 航空宇宙工学

Outline of Research at the Start

月面における水の存在の検証と利用のために長期月面滞在が活発に議論されている.そこで、月面に大量に存在するアルミナをレーザーで直接還元し、月面基地用建築資材と生命活動に必要な酸素を獲得することを想定し、還元剤不要なレーザーを熱源とする新たなアルミ製錬法を開発することを目的とする．太陽励起レーザーを使用すれば無限に降り注ぐ太陽光エネルギーを直接利用でき、さらにエネルギー効率が高まれば 、地球上でも①二酸化炭素フリーなアルミ製錬技術として、更には②再生可能エネルギーを輸送・携帯可能な燃料に変換するエネルギーサイクル技術として、あるいは温暖化ガスを発生しない航空機・船舶用燃料としても期待できる．

Outline of Annual Research Achievements

(1)レーザー加熱によるアルミナロッドの還元：CWレーザーでアルミナロッド前面をスキャンすることによってロッド表面の広い領域でアルミが析出するようになり、１分間でのアルミ総析出質量が2ミリグラムを上回った。水素雰囲気下とアルゴン雰囲気下で比較すると、アルミの析出形態が大きく異なり、特に水素雰囲気下では水蒸気の抜けた気泡の付近に高面積密度でアルミ粒が析出したが、アルミの総析出質量に大きな差はなかった。水素雰囲気下ではアルミナロッド内部にも気孔とアルミ析出が生じたため、アルミを取り出しにくく、幾らか計測漏れしている。単位照射エネルギーあたりのアルミ析出質量は、先行研究でのマグネシウム還元やパルスレーザーを用いたアルミ還元におけるアブレーションプルームからのアルミ回収量に比べてまだ小さく、加熱条件の最適化の余地が大きく残されている。
(2)レーザーアブレーションプルームからのアルミ回収：アルミ回収板付近での水素添加により回収量増加を試みた。水素透過性のあるパラジウム箔背面からの水素供給やプルーム側面からの水素ジェット吹付などを試みたが、水素による冷却効果が卓越してアルミの再酸化が起こり、回収量増加には至らなかった。
(3)レーザーアブレーションによる粉体アルミナの還元：水素雰囲気下で粉体アルミナを予加熱することにより、予加熱なしの場合と比較してアブレーションプルーム温度は500度上昇し、プルーム内での還元率は最大33%上昇、回収板への付着質量は2.6倍に増加した。しかしアルミ酸素比は大きく変化しなかった。水素による冷却効果が疑われる。
(4)アルミ堆積メカニズムの数値シミュレーション：分子動力学計算で得られた堆積層の中のアルミ酸素比分布を調べると、堆積層表面でAl-O結合を形成するように堆積層内部からの酸素の移動があり、高温による拡散速度の増加で顕著になることが明らかとなった。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

アルミナロッド表面でのアルミ析出量は、スキャニングにより数十マイクログラムからミリグラムのオーダーに飛躍的に増加したことは特筆される。また分子動力学シミュレーションアブレーションによって、プルーム堆積層内での酸素の拡散の様子が明らかとなり、今後実験結果の理解が進むものと期待される。

Strategy for Future Research Activity

(1)レーザー加熱によるアルミナロッドの還元：主としてレーザー強度の最適化、すなわちアルミナロッド表面温度をアルミナの融点と沸点（アブレーション温度）の間で、アルミ析出量についての最適温度を見つけ、アブレーションにより持ち去られる熱や質量を低減して、単位レーザー照射エネルギーあたりのアルミ析出量の増加を見込む。そのために
(2)レーザーアブレーションプルームからのアルミ回収：水素吹付によりアルミ回収板温度が低下しないよう、加熱機構の付加などの工夫を行う。
(3)レーザーアブレーションによる粉体アルミナの還元：単位エネルギーあたりのアルミ回収量を増やすため、アルミ回収量が起こるレーザー強度閾値をどこまで下げられるかにチャレンジをする。
(4)アルミ堆積メカニズムの数値シミュレーション：計算でアルミ堆積が進むとイオン結合のみでは堆積層が形成できない状況になり、それ以上計算ができなくなる点を改良する。

Research Products

• [Journal Article] Aluminum precipitation on oxygen-deficient alumina in laser alumina reduction (2023)
  • Author(s): Tanaka Naoki、Watanabe Masataka、Komurasaki Kimiya、Sekine Hokuto、Koizumi Hiroyuki
  • Journal Title: Vacuum Volume: 217 Pages: 112289-112289
  • DOI: 10.1016/j.vacuum.2023.112289
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Investigation of the Effect of SiO and Si Content on Plume Temperature for Alumina Reduction in Lunar Regolith Using Laser Diode Ablation (2022)
  • Author(s): Ishiguro, K., Uesugi, K., Oishi, R., and Matsui, M.
  • Journal Title: Frontier of Applied Plasma Technology Volume: 15 Pages: 7-12
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Aluminum particle production on alumina rod surface by continuous-wave laser ablation (2022)
  • Author(s): Tanaka Seiya、Tanaka Naoki、Komurasaki Kimiya、Kawashima Rei、Koizumi Hiroyuki
  • Journal Title: Materials Chemistry and Physics Volume: 278 Pages: 125557-125557
  • DOI: 10.1016/j.matchemphys.2021.125557
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Evaluation of Ablation Plume Temperature for Laser Intensity and Alumina Powder Particle Density in Alumina Reduction (2022)
  • Author(s): Uesugi, K., Oishi, R., and Matsui, M.
  • Journal Title: Japanese Journal of Applied Physics Volume: 61 Issue: SA Pages: 1-5
  • DOI: 10.35848/1347-4065/ac1485
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Estimation of Composition of Deposited Products from Alumina Ablation Plume Using Molecular Dynamics Simulation (2022)
  • Author(s): 中野 正勝
  • Journal Title: Applied Plasma Science Volume: 29 Issue: 2 Pages: 51-58
  • DOI: 10.34377/aps.29.2_51
  • ISSN: 1340-3214, 2435-1555
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Temperature Measurement of Laser Ablation using 1 kW Class Continuous-wave Laser Diode and Analysis of Ablated Alumina (2021)
  • Author(s): Uesugi, K., Oishi, R., and Matsui
  • Journal Title: Frontier of Applied Plasma Technology Volume: 14 Pages: 1-6
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Laser Spot Size and Preheating Effects on Alumina Reduction Using Laser Ablation (2020)
  • Author(s): Tanaka Seiya、Yamada Shin、Komurasaki Kimiya、Koizumi Hiroyuki
  • Journal Title: Journal of Thermophysics and Heat Transfer Volume: 34 Issue: 4 Pages: 733-740
  • DOI: 10.2514/1.t5977
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] Efficiency of Alumina Powder Reduction Using a 1 kW Class Laser Diode Ablation (2023)
  • Author(s): Ishiguro, K., Yonekura, K. and Matsui, M.
  • Organizer: 31st Annual Meeting of IAPS, Pacifico Yokohama, March 22-25, 2024
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] YAGレーザーアブレーションによる粉体アルミナ還元のレーザー強度と圧力による影響調査 (2023)
  • Author(s): 米倉 健志, 石黒 幹太, 松井 信
  • Organizer: 2023年度アルミエネルギーサイクル研究会, 日本エクスクロン、東京、 2024/2/2
• [Presentation] 1kW級半導体レーザーアブレーションによる粉体アルミナ還元の高効率化 (2023)
  • Author(s): 石黒 幹太, 米倉 健志, 松井 信
  • Organizer: 2023年度アルミエネルギーサイクル研究会, 日本エクスクロン、東京、 2024/2/2
• [Presentation] Numerical Simulation of Reduction of Oxygen-Deficient Alumina Using Laser Deposition (2023)
  • Author(s): Masakatsu NAKANO
  • Organizer: 31st Annual Meeting of IAPS, Pacifico Yokohama, March 22-25, 2024
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] アルミナ表面におけるアルミ堆積メカニズムのシミュレーション (2023)
  • Author(s): 中野正勝
  • Organizer: 2023年度アルミエネルギーサイクル研究会, 日本エクスクロン、東京、 2024/2/2
• [Presentation] 水素雰囲気下における移動表面へのレーザーアブレーションによる連続アルミニウム析出 (2023)
  • Author(s): 渡邊真隆、Lucas-Brian Christen、小紫公也
  • Organizer: 2023年度アルミエネルギーサイクル研究会, 日本エクスクロン、東京、 2024/2/2
• [Presentation] レーザーアブレーション回収板実験におけるプルームへの水素インジェクション (2023)
  • Author(s): Lucas-Brian Christen、渡邊真隆、小紫公也
  • Organizer: 2023年度アルミエネルギーサイクル研究会, 日本エクスクロン、東京、 2024/2/2
• [Presentation] Palladium as a Collector to support Hydrogenation of Plume Products in Laser Alumina Reduction (2023)
  • Author(s): Lucas-Brian CHRISTEN, K. Komurasaki
  • Organizer: 31st Annual Meeting of IAPS, Pacifico Yokohama, March 22-25, 2024
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Continuous Aluminum Precipitation on Moving Alumina Surface by Laser Ablationin Hydrogen Atmosphere (2023)
  • Author(s): Masataka WATANABE, Kimiya KOMURASAKI
  • Organizer: 31st Annual Meeting of IAPS, Pacifico Yokohama, March 22-25, 2024
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 月資源レーザーアルミナ還元における水素付加による還元量増大 (2023)
  • Author(s): 渡邊真隆，原笙，Lucas-Brian Christen，小紫公也，関根北斗，小泉宏之
  • Organizer: 第67 回宇宙科学技術連合講演会, 富山国際会議場 (富山), 2023/10/19
• [Presentation] Energy Storage with Carbon-free technique using Aluminum (2023)
  • Author(s): Sekine, H., Watanabe, M., Christen, L., Komurasaki, K
  • Organizer: Green Growth Collaboration through Clean Energy Technologies (EXCET), Waseda University, 2024/1/17
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 月資源利用を目指した高出力 レーザースキャンによるアルミナ表面でのアルミニウム析出 (2023)
  • Author(s): Lucas-Brian Christen, 渡邊真隆, 関根北斗
  • Organizer: 第43 回宇宙エネルギーシンポジウ ム、相模原、2024/3/19
• [Presentation] Aluminum Production by Re-reduction of Oxygen-deficient Alumina in Laser Alumina Reduction Method for Local Use of Lunar Resources (2022)
  • Author(s): Naoki TANAKA, Masataka WATANABE, Kimiya KOMURASAKI et al.
  • Organizer: The 13th International Symposium on Applied Plasma Science, Stuttgart
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Aluminum Collection from Laser Ablated Alumina Using Heated Recovery Plate Towards Lunar Regolith Utilization (2022)
  • Author(s): Seiya Tanaka, Naoki TANAKA, Kimiya KOMURASAKI et al.
  • Organizer: 33rd International Symposium on Space Technology and Science, 0nline.
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Formation of Oxygen Deficient Alumina in Laser Ablation Process (2022)
  • Author(s): Masataka WATANABE, Naoki TANAKA, Kimiya KOMURASAKI et al.
  • Organizer: The 16th International workshop on Applied Plasma and Hybrid Functionally Materials, Kobe
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 月面レーザーアルミナ還元に向けた酸素欠陥型アルミナの再還元によるアルミニウム作成 (2022)
  • Author(s): 田中直輝，渡邊真隆，小紫公也 他
  • Organizer: 第 66 回宇宙科学技術講演会宇宙科学技術連合講演会、熊本
• [Presentation] 月レゴリスからの金属・酸素生成技術ー溶融塩電解およびレーザーアブレーションー (2022)
  • Author(s): 田中聖也 , 鈴木祐太 , 後藤琢也, 小紫公也
  • Organizer: 第 66 回宇宙科学技術講演会宇宙科学技術連合講演会、熊本
• [Presentation] 1 kW級半導体レーザーによる粉体アルミナ還元の高効率化の検討 (2022)
  • Author(s): 石黒幹太、松井信
  • Organizer: 2022年度アルミエネルギーサイクル研究会
• [Presentation] LAMMPSを用いた酸素欠陥型アルミナの堆積計算 (2022)
  • Author(s): 中野正勝
  • Organizer: 2022年度アルミエネルギーサイクル研究会
• [Presentation] 雰囲気圧力および使用チャンバーの差異が析出アルミニウム量に及ぼす影響 (2022)
  • Author(s): 渡邊真隆、田中直輝、小紫公也
  • Organizer: 2022年度アルミエネルギーサイクル研究会
• [Presentation] レーザーアルミナ還元過程における酸素欠陥型アルミナの生成とその制御 (2022)
  • Author(s): 田中直輝、渡邊真隆、小紫公也
  • Organizer: 2022年度アルミエネルギーサイクル研究会
• [Presentation] Effect of Preheating Temperature of Al2O3 on Reduction Ratio by Laser Diode Ablation under Hydrogen Atmosphere (2022)
  • Author(s): Ishiguro, K., Oishi, R., and Matsui, M.
  • Organizer: Gaseous Electronics Conference, Sendai International Center Conference Building
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 半導体レーザーアブレーションによる水素封入下での Al2O3還元における試料予加熱による影響 (2022)
  • Author(s): 石黒幹太, 松井信
  • Organizer: 2022年度レーザー学会中部支部若手研究発表会
• [Presentation] 半導体レーザーアブレーションによる月面レゴリス中のAl2O3還元の水素圧依存性調査 (2022)
  • Author(s): 石黒幹太, 大石僚平, 松井信
  • Organizer: 第54回流体力学講演会
• [Presentation] Pressure Dependency on Carbothermal Reduction Efficiency of Al2O3 by Laser Ablation under Methane Environment (2022)
  • Author(s): Ishiguro, K., Uesugi, K., Oishi, R., Matsui, M.
  • Organizer: 33rd International Symposium on Space Technology and Science, 0nline.
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Aluminum Collection from Laser Ablated Al2O3 by Plume Cooling with Supersonic Nozzle (2022)
  • Author(s): Oishi, R., Uesugi, K., Ishiguro, K., Matsui, M.
  • Organizer: 33rd International Symposium on Space Technology and Science, 0nline.
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Aluminum Collection from Laser Ablated Alumina Using Heated Recovery Plate Towards Lunar Regolith Utilization (2022)
  • Author(s): Seiya Tanaka, Naoki Tanaka, Kimiya Komurasaki, Hiroyuki Koizumi, Rei Kawashima
  • Organizer: 33rd International Symposium on Space Technology and Science, 0nline.
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] The Effect of SiO2 Content Rate in Simulated Lunar Regolith on Ablation Plume Temperature and The Feasibility Assessment of Al2O3 Reduction (2021)
  • Author(s): Uesugi, K., Ishiguro, K., Oishi, R., Matsui, M.
  • Organizer: 19th inter-Academia, online.
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Temperature Dependence of Al2O3 Powder Ablation Plume on Particle Density Using Laser Diode toward Lunar Regolith Utilization (2021)
  • Author(s): Uesugi, K., Oishi, R., and Matsui, M.
  • Organizer: 14th International Workshop on Plasma Application and Hybrid Functionally Materials, KKR Hotel Tokyo
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 半導体レーザーアブレーションを用いた月面レゴリス中のAl2O3還元に向けたSiO2含有率のプルーム温度への影響調査 (2021)
  • Author(s): 石黒幹太，上杉和音, 大石僚平, 松井信
  • Organizer: 第82回応用物理学会秋季学術講演会, オンライン
• [Presentation] メタン雰囲気におけるアルミナのレーザーアブレーションによる炭素熱還元に関する実験的検討 (2021)
  • Author(s): 上杉和音，松井信
  • Organizer: 軽金属学会第141回秋季大会, オンライン
• [Presentation] ノズルを用いたアブレーションプルームの冷却効果 (2021)
  • Author(s): 大石僚平，上杉和音, 石黒幹太, 松井信
  • Organizer: 第65回 宇宙科学技術連合講演会, オンライン
• [Presentation] 半導体レーザーアブレーションによる月面レゴリス中のAl2O3還元に向けたSiO2含有率のプルーム温度への影響調査 (2021)
  • Author(s): 上杉和音，石黒幹太，大石僚平，松井信
  • Organizer: 第15回プラズマエレクトロニクスインキュベーションホール, オンライン
• [Presentation] 半導体レーザーアブレーションのための粉末供給システムの検討 (2021)
  • Author(s): 大石僚平，上杉和音, 石黒幹太, 松井信
  • Organizer: 第15回プラズマエレクトロニクスインキュベーションホール, オンライン
• [Presentation] 半導体レーザーアブレーションによる月面レゴリス中のAl2O3還元に向けたSiO2含有量依存性調査 (2021)
  • Author(s): 上杉和音，大石僚平，松井信
  • Organizer: 第53回流体力学講演会, オンライン
• [Presentation] Laser Alumina Reduction with Heterogeneous Nucleation Toward Aluminum Smelting from Lunar Regolith (2021)
  • Author(s): Seiya Tanaka, Naoki Tanaka, Kimiya Komurasaki, Hiroyuki Koizumi
  • Organizer: International Conference on Environmental Systems
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 月面レーザーアルミナ還元に向けた加熱回収板表面でのアルミニウム蒸着 (2021)
  • Author(s): 田中聖也、田中直輝、高野晃一、小紫公也、川嶋嶺、小泉宏之
  • Organizer: 第65回 宇宙科学技術連合講演会, オンライン
• [Presentation] 酸素欠陥型アルミナを利用したアルミナレーザー還元」 (2021)
  • Author(s): 田中直輝、田中聖也、高野晃一、小紫公也、川嶋嶺、小泉宏之
  • Organizer: 第65回 宇宙科学技術連合講演会, オンライン
• [Presentation] 粉体アルミナを用いた半導体レーザーアブレーションの特性評価 (2020)
  • Author(s): 上杉和音, 大石僚平, 松井信
  • Organizer: アルミエネルギーサイクル研究会,
• [Presentation] 計算コードの進捗状況について (2020)
  • Author(s): 中野正勝
  • Organizer: アルミエネルギーサイクル研究会,
• [Presentation] アルミナ表面温度分布および形状測定によるアルミニウム粒生成原理解明 (2020)
  • Author(s): 田中聖也、田中直輝、小紫公也
  • Organizer: アルミエネルギーサイクル研究会,
• [Presentation] 酸素欠陥型アルミナの融解およびアブレーションによる生成アルミニウム粒の評価 (2020)
  • Author(s): 田中直輝、田中聖也、小紫公也
  • Organizer: アルミエネルギーサイクル研究会,
• [Presentation] Aluminum Collection by Heterogeneous Condensation in Alumina Laser Reduction for Lunar Regolith (2020)
  • Author(s): Seiya Tanaka, Shin Yamada, Kimiya Komurasaki, and Hiroyuki Koizumi,
  • Organizer: The 2020 AIAA Propulsion and Energy Forum
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] アルミエネルギーサイクル研究会
  • URL: http://www.al.t.u-tokyo.ac.jp/alumi_meeting/index.html
• [Remarks] アルミエネルギーサイクル研究会
  • URL: http://www.al.t.u-tokyo.ac.jp/alumi_meeting/society.html
• [Remarks] 月資源レーザー還元
  • URL: http://www.al.t.u-tokyo.ac.jp/cw/index.html
• [Patent(Industrial Property Rights)] 水素ガス製造方法および水素ガス製造装置 (2021)
  • Inventor(s): 桑原彬, 水嶋祐基, 松井信, 間瀬暢之
  • Industrial Property Rights Holder: 桑原彬, 水嶋祐基, 松井信, 間瀬暢之
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2021