2020 Fiscal Year Research-status Report
Atomic oxygen-induced erosion of fluorinated polymers in LEO: its collapse and new mechnism
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18K18912
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
横田 久美子 神戸大学, 工学研究科, 助手 (20252794)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田川 雅人 神戸大学, 工学研究科, 准教授 (10216806)
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| Project Period (FY) |
2018-06-29 – 2022-03-31
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| Keywords | 原子状酸素 / フッ素系樹脂 / 宇宙環境 / 高質量分子 / 材料劣化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
これまで地球高層大気による材料劣化現象は宇宙機の前面で顕著に観察されることから、その発見以降30年以上にわたり、地球高層大気成分で化学的に活性な原子状酸素によるものと信じられてきた。この仮定のもとで2004年に制定されたASTM E2089-00に準拠してこれまで全ての材料試験が行われてきたが、フッ素系材料など一部の宇宙用材料では軌道上での劣化現象と地上実験との間に不整合が生ずることが知られており、30年以上にわたり宇宙工学上の未解決の問題となっている。本申請ではこの未解決の問題に対して全く新しい仮説を導入することにより解決を図ることを目的とする。その仮説は、「FEPなどのフッ素系高分子材料の宇宙環境における劣化要因は、これまで信じられてきた原子状酸素ではなく、高エネルギー窒素分子の衝突によるものである」というものである。本研究では、この仮説を証明することと、この新理論に基づいた新しい宇宙環境地上実験に関わる国際基準を制定する道筋を作ることを本研究の目的とするものである。本仮説を証明するためには、多様な条件下での材料劣化挙動を明らかにするため、宇宙環境地上試験のスループットを向上させることが必要不可欠である。そのため、リアルタイムでの質量変化計測を実現する方法として、プラズマアシスト蒸着法開発者である大阪府立産業技術総合研究所の岡本昭夫博士の技術指導のもとで、蒸着装置を新設しQCM上にフッ素系薄膜を形成することを予定していたが、岡本博士のご協力により、オリジナル装置によるサンプルの作製の可能性が開かれ、これにより大幅な予算、工数の削減、およびリスク低減が可能となった。QCMサンプルに照射するN2およびArビームについても、そのビーム形成と高安定照射に向けての準備が整った。本来、2020年度に全ての研究を終了する予定であったが、新型コロナウイルス蔓延のため、実験計画が遅延した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
4: Progress in research has been delayed.
Reason
本プロジェクトではフッ素系材料などで軌道上での劣化現象と地上実験との間に不整合が生ずる原因について、申請者らの提案する「フッ素系高分子材料の宇宙環境における劣化要因は原子状酸素ではなく、高エネルギー窒素分子の衝突によるものである」という新仮説を検証し、この新理論に基づいた新しい宇宙環境地上実験に関わる国際基準を制定する道筋を作ることを目的とするものである。
フッ素系高分子のリアルタイム質量変化を計測するため、プラズマアシスト蒸着法によりQCM上にフッ素系薄膜を形成することを予定していたが、本手法の開発者である岡本博士のご協力により、大阪府立産業技術総合研究所で保管されていた同装置の使用が可能になり、FY2019年度にはQCMサンプルの準備が整った。これと並行してQCMサンプルに照射するAOおよびArビームについても、そのビーム形成と安定照射に向けて、照射条件安定化システムの設計などを実施し、FY2019年度末には実験が実施できる状態となっていたが、FY2020年度は新型コロナウイルス蔓延の影響により実験室への立ち入りが制限されたため、実験の実施が遅延している。
一方、「SLATS（つばめ）」を用いて行われた世界初の超低高度材料曝露実験であるMDMミッションでは、FY2019年に世界初となる原子状酸素と窒素分子の同時衝突下での材料劣化画像の取得に成功し、FY2020年度末には画像データが得られた。研究延長期間であるFY2021年度に合わせて解析を実施する予定である。
また2018年10月には本分野の国際会議で新仮説を説明し、国際基準の改定の必要性を提案し、一部の参加国からは、その必要性について賛同を得た。次回の会議は2021年6月にオランダで開催予定であったが、現在、開催の見通しが立っていない状況である。
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| Strategy for Future Research Activity |
FY2019年度には再整備したプラズマアシスト装置で蒸着したフッ素系高分子QCMを準備し、FY2020年度にはAOおよびArビーム形成と安定照射のための安定化システムを構築した。これらの実験準備により、多様な条件で安定な地上実験を行うことができる条件を整えることができた。しかしながら、新型コロナウイルス蔓延の影響により実験室への立ち入り等が長期間にわたり制限されたため、地上実験の本格的な実施がFY2021年度に遅延した。
一方、本研究グループの提案によりフッ素系高分子サンプルの宇宙曝露実験が超低軌道試験機「SLATS（つばめ）」を用いて行われたMDMミッションでは、世界初となる原子状酸素と窒素分子の同時衝突下での材料劣化画像の取得に成功しており、FY2020年度末には画像データが得られた。しかしながら、当初想定されていた試料の破断にまではいたらず、エロージョンレートの算出が困難となっている。この原因については、①衛星構体による遮蔽効果、②軌道上窒素分子密度の定量性不足など、いくつかの要因が考えられた。特にSLATSで問題が表面化したのは、地球高層大気モデルの不正確さである。これまで、大気モデルは正しい分子密度を与えるものとして劣化量の予測値を算出してきたが、SLATSによる測定データから地球高層大気密度には大きな誤差が含まれている可能性が高く、本研究課題が目標とする地上実験の条件設定に非常に大きな影響を与えることが示唆された。このため、将来的に超低軌道領域での大気密度観測を高頻度で実施するための観測手段の予備検討を研究期間が延長されたFY2021の目標に新たに追加した。これらの宇宙実験解析と地上実験を同時並行的に行うことで、地上実験結果と宇宙実験結果をリンクさせることができ、さらに宇宙環境におけるフッ素系樹脂の劣化に対して強固なエビデンスを得ることができると思われる。
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| Causes of Carryover |
FY2019年度までに実施した研究計画の変更により予算の節約が可能となった。さらにFY2020年度には新型コロナウイルスの影響によりオンサイトの実験が遅延したため、FY2021年度に実験費用が持ち越しになった。これらの理由によりFY2020年度末で次年度使用予算が発生した。一方、コロナ下で実験のスループットが低下した半面、リモートで解析が可能なSLATS/AOFS、MDM軌道上データの実施を行ったが、データ量が膨大でDSMC解析が当初の想定よりも計算時間を必要とすること、MDMで得られた大量の画像データの解析にも計算機の負荷が大きいことから、解析用ワークステーション等を導入し解析の迅速化を図ることが有効と判断された。さらに本研究課題に直接関連する将来的な超低軌道領域での大気密度観測システム開発のための予備検討費用も支出する予定である。
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Research Products
(16 results)
