2020 Fiscal Year Research-status Report
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
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20K20542
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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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)
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| 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)
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| Project Period (FY) |
2020-07-30 – 2026-03-31
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| Keywords | エネルギー全般 / レーザー / プラズマ / 航空宇宙工学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
（１）レーザーアブレーションによるアルミナ還元：プルーム温度向上を目指したアルミナとジルコニアの混合焼結体に対するレーザーアブレーション実験が行われたが、得られたプルーム温度は純アルミナの場合より低かった。アルミナ・ジルコニア混合物は沸点が低下する正の共沸関係であったことが原因であると考えられ、混合物レーザー還元における共沸現象の重要性が明らかになった。研究分担者松井信准教授により、電力からのエネルギ変換効率が高い半導体レーザーによる粉体アルミナの還元が実証された。発電含めた還元手法としてのエネルギ効率向上が達成され、かつレーザー還元におけるアルミナ状態の多様性が明らかになった。
（２）アルミニウム原子の分離・回収：アブレーション後のアルミナ表面に確認されたアルミニウム粒の生成原理が解明された。アブレーション時および後におけるアルミナ表面温度測定により、アブレーション時の高温アルミナ表面から酸素が欠損し、高酸素欠陥状態となったアルミナが急冷されたことでアルミニウムが不純物析出したとわかった。アルミニウムは液体状態で壁面に付着した不均一核生成状態であったことから、アルミニウム融点900K以上の高温環境下で生成されたと考えられ、これは核生成が高温条件で生じやすいという理論と一致した。
（３）アルミニウム収量の向上のための数値シミュレーション：研究分担者中野正勝教授によりアブレーションおよびアルミ回収の両者を同時にシミュレーション可能なCFD計算コードが開発された。アブレーション流が非定常流れであることに加え、還元・回収の両過程におけるアルミナ及びアルミニウムの状態変化を考慮する必要があったため、対象とする物体を有限個の粒子で表現するSPH法に化学反応を組み込み、CFD計算を行った。結果、定性的にアブレーションの模擬に成功し、計算コードの有用性が示された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
（１）レーザーアブレーションによるアルミナ還元：アルミナ・ジルコニアの混合物の共沸現象利用の可能性について、混合物の沸点が純粋なアルミナ・ジルコニアの沸点よりも低下することが実験的に示されたことは科学的に有意義である。またエネルギ変換効率が高い半導体レーザーの採用により、発電含めた還元手法としてのエネルギ効率向上が達成されたことは、本取り組みのエネルギー問題への貢献を裏付けるものとなった。
（２）アルミニウム原子の分離・回収：アブレーション後のアルミナ表面にアルミニウム粒の生成が確認されたこと、そしてそのアルミニウム粒の生成原理が解明されたことは、今後のアルミニウム原子の分離・回収系を構築する上で大変重要なヒントになると期待される。
（３）アルミニウム収量の向上のための数値シミュレーション：レーザーアブレーションおよびアルミニウム回収の両者を同時にシミュレーション可能なCFD計算コードが開発された。実験を再現できるところまでコード開発が進めば、今後の最適システム設計を行う上で有用なツールとなることが期待できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
（１）模擬月レゴリスのレーザー還元：研究分担者松井信准教授が主として担当する。月レゴリスは多種の金属酸化物で構成された混合物であり、アルミナ抽出にはエネルギ消費を伴うため、月レゴリスの直接還元/アルミ生成が理想的である。そこで模擬月レゴリスとして、代表的月面資源である二酸化ケイ素とアルミナの混合粉体を対象にレーザー還元試験を行い、アルミニウム生成を評価する。研究実績（１）における粉体アルミナ還元の結果と比較し、二酸化ケイ素が及ぼすアルミナ還元への影響を検証する。この際研究実績（１）で得られた共沸現象の観点に基づき、プルーム温度への影響を議論する。
（２）回収系温度調整によるアルミニウム回収量向上：研究代表者が主として担当する。これまでの回収板実験においてアルミニウム収量は微量であり、アルミニウム回収手法を確立できていなかった。そこで研究実績（２）で明らかになったアルミナ表面温度のアルミニウム核生成への影響を基に、高温回収板によるアルミニウム回収実験を行う。実際にアルミニウムが生成された温度条件を回収板において再現することにより、従来成し得なかったレーザー還元におけるアルミニウム大量回収を目指す。
（３）数値シミュレーションによる：研究分担者中野正勝教授が主として担当する。中野が作成した非定常流れ計算コードを利用し、回収板へのアルミニウムの付着を定量的に計算する。推進方策（２）の実験結果と連携し、最適なアルミニウム回収システムを計算で明らかにする。
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| Causes of Carryover |
コロナ禍の影響で実験実施期間が大幅に制限され、実験回数や実験アイディアのパターンが予定していたものの6割程度であった。新しい圧力容器を導入できたので、今年度は実験のバリエーションを増やし、昨年度よりも実験試料購入、実験装置製作に予算を費やす予定である。
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