宇宙環境下の走化性バクテリアによる生物対流に及ぼす重力変調の影響に関する数値解析

2012 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 24560181
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Research Institution: Iwate University
• Principal Investigator: 柳岡 英樹 岩手大学, 工学部, 教授 (40281951)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 末永 陽介 岩手大学, 工学部, 助教 (60413720)
• Project Period (FY): 2012-04-01 – 2015-03-31
• Keywords: 生物流体 / 微生物 / 酸素 / 走化性 / 微小重力 / 計算流体力学

Research Abstract

本研究は，重力変調が存在する微小重力場において，走化性バクテリアにより生じる生物対流とその輸送特性を数値解析により明らかにすることにより，宇宙環境における生物対流の有効利用の可能性を探るものである．残留重力や重力変調が生物対流に及ぼす影響が不明であるため，平成24年度は二次元解析により生物対流の基本特性を調査した．対象とする容器は浅く，表面張力による水面の変形はないものとする．水面から酸素が一様に供給され，懸濁液中には走化性バクテリアが存在している状況を考える．得られた知見は以下のとおりである．
1. 生物対流が発生していない状態において，重力変調が作用すると，生物対流が発生し，周期的に複数のプルームが形成される．重力加速度の増加とともにプルームが出現し，重力加速度が減少するとプルームは消滅する．プルームの個数や間隔は周波数によって異なる．
2. レーリー数によらず，重力変調の周波数が低い場合，生物対流は重力変調に追従しやすくなる．このとき，プルーム内のバクテリア濃度が過濃となり，プルーム中心における下降流の速度は速くなるため，生物対流による輸送特性が向上する．
3. 重力変調の周波数が高くなるに従って，生物対流は重力変調に追従できなくなり，プルームの規模は減少し，輸送特性は低下する．臨界レーリー数より低い場合，高周波数では，プルームが形成されず，生物対流は発生しなくなる．
4. 生物対流が発生している状態において，重力変調が作用すると，定常状態と比較してバクテリアの輸送特性が低下する．周波数が高くなるに従い，上述と同様に輸送特性は低下する．

Current Status of Research Progress

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

Reason

平成24年度の研究は，申請書の計画通りに進んでいる．最初に，既存の計算コードを組み合わせて新しい計算コードを作成することにより，重力変調が存在する微小重力場において，生物対流が発生することを確認できた．また，重力変調の周波数や振幅を変えたときのバクテリアと酸素の濃度場および流れ場，さらには流束分布から輸送特性を明らかにすることができた．

Strategy for Future Research Activity

平成25年度では，微小重力場における生物対流について詳細な三次元解析を行い，重力変調がプルーム同士の干渉に及ぼす影響を調査する．プルーム同士の干渉には生物対流パターンが大きく影響するので，多様な生物対流パターンも発生させる．解析手順は以下の通りである．
1.今年度において微小重力場で生物対流が発生する臨界条件が判明しているので，先ずは残留重力や重力変調を固定し，バクテリアの初期濃度に様々な乱れを加え，波長の異なる多様な生物対流パターンを発生させ，プルームの波長による輸送特性の変化を明らかにする．
2.次に，最も出現パターンが多い生物対流に着目し，重力変調の周波数や振幅を変化させたときのプルームの周波数応答性を調査し，輸送特性を向上あるいは抑制させる最適な条件を明らかにする．

Expenditure Plans for the Next FY Research Funding

該当しない．