| Project/Area Number |
22K18855
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 24:Aerospace engineering, marine and maritime engineering, and related fields
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
鷹尾 祥典 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 准教授 (80552661)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
村上 勝久 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エレクトロニクス・製造領域, 上級主任研究員 (20403123)
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| Project Period (FY) |
2022-06-30 – 2026-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000)
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| Keywords | 電気推進 / イオン源 / 電子源 / グラフェン / 超小型衛星 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、上部電極をグラフェンとし低電圧作動が可能で推進剤が不要な高電流密度平面型電子源を利用することでイオン推進機の比推力を大幅に向上させる。また、電子透過性の高い保護膜を付けることでプラズマ耐性を高め、イオン源用の電子源としても利用することで効率と安定性のトレードオフ限界克服に挑戦する。これにより、これまで安定しなかった高電流密度モードを実現させることで、小型イオン源の効率の大幅改善を図る。
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年、超小型衛星の打ち上げ数が激増しており、大規模コンステレーションや深宇宙探査にも使われ始めている。このような高度なミッションには高い増速量と高い比推力（燃費に相当）を有する推進機が不可欠であり、その筆頭格はイオン推進機である。しかし、小型化すると表面積割合の増加から性能の劣化が避けられず、特に元来小さい電子源（中和器）はなおさらである。本研究では、中和器側の抜本改善策として上部電極をグラフェンとし低電圧作動が可能で推進剤が不要な高電流密度平面型電子源を利用するとともに、イオン源では電子源と金属陰極との併用によりこれまで安定しなかった高電流密度モードを実現させ、超小型イオン源の効率を大幅に引き上げることを目的とする。
2024年度は、プラズマ耐性のある保護膜付き電子源において想定以上に電流密度が低下することが分かったため、電子源そのものの性能向上を目指した。具体的にはサファイア基板上にh-BN膜を成膜することでグラフェン上部電極と基板との絶縁層を形成し、電流密度の大幅な向上を図った。結果として、2桁程度大きい数A/cm2程度の電流密度量を確保することができ、保護膜付きでも十分な電流量を確保する道筋を付けた。一方、電子源の性能向上と並行し、フィラメント電子源を利用したイオン源の性能向上を図った。前年度までに直径2 cm級のイオン源での形状および磁場構造の最適化により大きな性能向上を得られたものの表面積体積比の大きさからその向上も限界に近づいていると考えられたため、本年度はサイズを直径3 cm級にすることで表面積体積比の削減によりイオン生成コストの低減を目指した。その結果、2 cm級より低い電力密度でもより高いプラズマ密度を生成することが可能となった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
前年度に保護膜付き電子源の電子放出特性が想定より低いことが判明し、本年度は従来の計画になかった基板構造の改良による特性改善を図ったため。結果としては、研究実績の概要の通り大きな電流密度向上が得られた。一方、電子源の改良を待っている間にイオン源側の改良を進めた。
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| Strategy for Future Research Activity |
2025年度は以下の方法により研究を遂行する。
電子源側においては保護膜付きでの電流密度向上が十分に得られたため、これの大規模アレイ化が必要になる。一方、イオン源側においては、表面積体積比の削減を目指す3 cm級プラズマ源の形状、磁場構造の最適化を進め、最終的には電子源を利用したイオン推進機の運用を目指す。
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