月惑星着陸探査のための固体物質のその場質量分析技術の基礎開発

• 研究課題/領域番号: 23H00141
• 研究種目: 基盤研究(A)
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 中区分17:地球惑星科学およびその関連分野
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 杉田 精司 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (80313203)
• 研究分担者: 笠原 慧 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (00550500) ; 長 勇一郎 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (00737687) ; 齋藤 義文 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 教授 (30260011) ; 諸田 智克 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (30415898) ; 塩谷 圭吾 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 准教授 (40392815) ; 吉岡 和夫 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 准教授 (70637131) ; 三浦 弥生 東京大学, 地震研究所, 准教授 (90282730)
• 研究期間 (年度): 2023-04-01 – 2026-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2025年度)
• 配分額: 47,190千円 (直接経費: 36,300千円、間接経費: 10,890千円); 2025年度: 14,560千円 (直接経費: 11,200千円、間接経費: 3,360千円); 2024年度: 15,600千円 (直接経費: 12,000千円、間接経費: 3,600千円); 2023年度: 17,030千円 (直接経費: 13,100千円、間接経費: 3,930千円)
• キーワード: 月惑星探査 / 探査機搭載機器開発 / LIBS / アルテミス計画 / 質量分析

研究開始時の研究の概要

アルテミス計画に代表される巨大な国際協力の枠組みで進行しつつある月着陸探査機への搭載を目標に、小型質量分析計による表面年代のその場計測装置の基礎開発を行う。具体的には、質量分析装置の小型高性能化、固体試料処理機構の製作、両ユニットの結合試験を実施する。これにより、月着陸機搭載装置開発に必要なクリティカル技術課題を洗い出し、ミッション定 義審査に必要な情報を揃えることを目標とする。最終的に、世界初の月物質のその場年代計 測を実現し、惑星表面でのその場質量分析技術を確立することを目指す。

研究実績の概要

アルテミス計画に代表される巨大な国際協力の枠組みで進行しつつある月着陸探査機への搭載を目標に、小型質量分析計による表面年代のその場計測装置の基礎開発を行った。具体的には、質量分析装置の小型高性能化、LIBS用の小型分光計の試作品作成、固体試料処理機構の製作、光学カメラの設計検討等を進めた。質量分析器については、数値シミュレーションによる軌道設計の詳細化とオプティクスの図面作成、イオン源の設計、ならびに必要な高電圧部品や制御回路の設計を実施した。また、カメラの開口部に設置する帯域フィルターおよび保護窓がカメラの結像性能への影響を調べた。さらに、質量分析装置とガス発生装置を結合するために必要な構造体の設計と製作も実施した。加えて、アルテミス計画の主体である米国航空宇宙局NASAの研究者と頻繁な会合を持って、搭載機会の創出のための検討を行った。
質量分析装置の軌道設計の詳細化とオプティクスの図面作成などは当初予定通りに進んだことと、LIBS用の小型分光計の製作が当初予定より早く実現できたことは重要な成果である。また、光学カメラについて帯域フィルターや保護窓の悪影響が十分小さいことを確認できた。さらに、総合動作試験に向けて、探査で使用可能な超小型真空用バルブを選定し、動作・性能試験、探査向け小型真空ポンプの動作・性能試験、小型ゲッター（ガス精製用部品）の動作・性能試験、および配管サイズ決定のための基礎実験も予定通り進めることができた。加えて、NASA側のアルテミス計画の科学とりまとめ担当者と直接会って具体的な検討のテーブルに着けたことも本研究計画を着実に進めるに当たって重要な成果であった。これら全体を踏まえて、概ね順調な進捗だと考えている。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

質量分析装置の軌道設計の詳細化とオプティクスの図面作成などは当初予定通りに進んだことは重要な成果である。また、LIBS用の小型分光計の製作が当初予定より早く実現できた反面、固体試料処理機構の製作は若干遅れている。さらに、NASA側のアルテミス計画の科学とりまとめ担当者と直接会って具体的な検討のテーブルに着けたことも本研究計画を着実に進めるに当たって重要な成果であった。これら全体を踏まえて、概ね順調な進捗だと考えている。

今後の研究の推進方策

第二年度の今年は、当初の研究提案書に述べた４作業を着実に進めて、最終年に予定している質量分析装置と固体試料処理機構を結合した試験の実施を目指す方針である。その一方で、本申請書執筆時期の予想を超えてアルテミス計画の進展状況が早いので、 米国ＮＡＳＡ側および日本ＪＡＸＡ側からの搭載装置への種々の条件情報の収集活動は、初年度より充実される方針とする。

研究成果

• [国際共同研究] NASA Goddard Flight Center/Brown University/Johns Hopkins University(米国)
• [国際共同研究] Nice Observatory(フランス)
• [国際共同研究] DLR(ドイツ)
• [雑誌論文] Fraunhofer line-based wavelength-calibration method without calibration targets for planetary lander instruments (2024)
  • 著者名/発表者名: Mori, S., Cho, Y., Tabata, H., Yumoto, K., Bottger, U., Buder, M., Dietz, E., Hagelschuer, T., Hubers, H.-W., Kameda, S., Kopp, E., Prieto-Ballesteros, O., Rull, F., Ryan, C., Schroder, S., Usui, T., Sugita, S.
  • 雑誌名: Planetary and Space Science 巻: 240 ページ: 105835-105835
  • DOI: 10.1016/j.pss.2023.105835
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Aligned fractures on asteroid Ryugu as an indicator of thermal fracturing (2024)
  • 著者名/発表者名: Schirner L.、Otto K. A.、Delbo M.、Matz K.-D.、Sasaki S.、Sugita S.
  • 雑誌名: Astronomy and Astrophysics 巻: 684 ページ: A5-A5
  • DOI: 10.1051/0004-6361/202348404
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] In situ plasma and neutral gas observation time windows during a comet flyby: Application to the Comet Interceptor mission (2024)
  • 著者名/発表者名: De Keyser J.、Edberg N.J.T.、Henri P.、Auster H.-U.、Galand M.、Rubin M.、Nilsson H.、Soucek J.、Andr? N.、Corte V. Della、Rothkaehl H.、Funase R.、Kasahara S.、Van Damme C. Corral
  • 雑誌名: Planetary and Space Science 巻: 244 ページ: 105878-105878
  • DOI: 10.1016/j.pss.2024.105878
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] The Comet Interceptor Mission (2024)
  • 著者名/発表者名: Jones, G.H., Snodgrass, C., Tubiana, C., Kuppers, M., Yano, H., et al.
  • 雑誌名: Space Science Reviews 巻: 220 号: 1 ページ: 1-83
  • DOI: 10.1007/s11214-023-01035-0
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Gamma-ray irradiation of optical glass for the development of LIBS for future planetary missions (2024)
  • 著者名/発表者名: Tabata, H., Cho, Y., Yoshioka, K., Aida, M., Yogata, K., Hayashida, M., Kanda, T., Kawakami, Y., Toeda, J., Sato, S., Imaizumi, M.
  • 雑誌名: JAXA Research and Development Report 巻: JAXA-RR-23-006E
  • URL: https://jaxa.repo.nii.ac.jp/records/2000252
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Curation protocol of Phobos sample returned by Martian Moons eXploration (2024)
  • 著者名/発表者名: Fukai R., Usui T., Fujiya W., Takano Y., Bajo K., Beck A., Bonato E., Chabot N. L., Furukawa Y., Genda H., Hibiya Y., Jourdan F., Kleine T., Koike M., Matsuoka M., Miura Y.N., Moynier F., Okazaki R., Russell S.S.、Sumino H., Zolensky M.E., Sugahara H., Tachibana S., Sakamoto K., Abe M., Cho Y., Kuramoto K.
  • 雑誌名: Meteoritics & Planetary Science 巻: 59 号: 2 ページ: 321-337
  • DOI: 10.1111/maps.14121
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Overview of the search for signs of space weathering on the low-albedo asteroid (101955) Bennu (2023)
  • 著者名/発表者名: Clark B.E.、Sen A.、Zou X.-D.、DellaGiustina D.N.、Sugita S. et al.
  • 雑誌名: Icarus 巻: 400 ページ: 115563-115563
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2023.115563
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Dynamics of gas-driven eruption on Ceres as a probe to its interior (2023)
  • 著者名/発表者名: Yumoto Koki、Cho Yuichiro、Koyaguchi Takehiro、Sugita Seiji
  • 雑誌名: Icarus 巻: 400 ページ: 115533-115533
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2023.115533
  • 査読あり
• [雑誌論文] In-situ measurement of hydrogen on airless planetary bodies using laser-induced breakdown spectroscopy (2023)
  • 著者名/発表者名: Yumoto Koki、Cho Yuichiro、Kameda Shingo、Kasahara Satoshi、Sugita Seiji
  • 雑誌名: Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy 巻: － ページ: 106696-106696
  • DOI: 10.1016/j.sab.2023.106696
  • 査読あり
• [雑誌論文] Heliocentric Distance Dependence of Zodiacal Light Observed by Hayabusa2# (2023)
  • 著者名/発表者名: Tsumura Kohji、Matsuura Shuji、Sano Kei、Iwata Takahiro、Yano Hajime、Kitazato Kohei、Takimoto Kohji、Yamada Manabu、Morota Tomokatsu、...、Sugita Seiji
  • 雑誌名: Earth、 Planets and Space 巻: 75 号: 1 ページ: 78-121
  • DOI: 10.1186/s40623-023-01856-x
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Crack Orientation of Boulders on Ryugu: Meridional Preference and Exfoliation (2023)
  • 著者名/発表者名: Sasaki Sho、Kanda Shiho、Kikuchi Hiroshi 、Michikami Tatsuhiro 、Morota Tomokatsu 、 Honda Chikatoshi、 Miyamoto Hideaki、Hemmi Ryodo 、Sugita Seiji 、...et al
  • 雑誌名: Journal of Evolving Space Activities 巻: 1 号: 0 ページ: n/a
  • DOI: 10.57350/jesa.89
  • ISSN: 2758-1802
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Exploration-Based Reconstruction of Planetesimals (2023)
  • 著者名/発表者名: Watanabe, S.、 Arakawa, M.、 Hirabayashi, M.、 Sugita, S.、 Bottke, W. F.、 Michel, P.
  • 雑誌名: Protostars and Planets VII 巻: - ページ: 993-1029
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Space weathering acts strongly on the uppermost surface of Ryugu (2023)
  • 著者名/発表者名: Matsuoka M., Kagawa E., Amano K., Nakamura T., Tatsumi E., ...Tachibana S., et al
  • 雑誌名: Communications Earth and Environment 巻: 4 号: 1
  • DOI: 10.1038/s43247-023-00991-3
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Ryugu Sample Database System (RS-DBS) on the Data Archives and Transmission System (DARTS) by the JAXA curation (2023)
  • 著者名/発表者名: Nishimura M., Nakato A., Abe M., Nagashima K., Soejima H., ...Tachibana S., et al
  • 雑誌名: Earth, Planets and Space 巻: 75 号: 1 ページ: 0-0
  • DOI: 10.1186/s40623-023-01887-4
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Lunar Low-Titanium Magmatism during Ancient Expansion inferred from Ejecta originating from Linear Gravity Anomalies (2023)
  • 著者名/発表者名: Nishiyama, G.、 Morota.T.、 Namiki、 N.、 Inoue、 K.、 Sugita、 S.
  • 雑誌名: J. Geophys. Res 巻: ー
  • DOI: 10.22541/essoar.169111398.87392557/v1
  • 査読あり
• [雑誌論文] A two-stage deflection system for the extension of the energy coverage in space plasma three-dimensional measurements (2023)
  • 著者名/発表者名: Kasahara Satoshi、Tao Ryo、Yoshida Emiko、Yokota Shoichiro
  • 雑誌名: Earth, Planets and Space 巻: 75 号: 1
  • DOI: 10.1186/s40623-023-01845-0
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Spacecraft Charging Simulations of Probe B1 of Comet Interceptor during the Cometary Flyby (2023)
  • 著者名/発表者名: Bergman S.、Miyake Y.、Kasahara S.、Johansson F. L.、Henri P.
  • 雑誌名: The Astrophysical Journal 巻: 959 号: 2 ページ: 138-138
  • DOI: 10.3847/1538-4357/ad0ce5
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Lunar Mare Basaltic Volcanism: Volcanic Features and Emplacement Processes (2023)
  • 著者名/発表者名: Head James W.、Wilson Lionel、Hiesinger Harald、van der Bogert Carolyn、Chen Yuan、Dickson James L.、Gaddis Lisa R.、Haruyama Junichi、Jawin Erica R.、Jozwiak Lauren M.、Li Chunlai、Liu Jianzhong、Morota Tomokatsu...et al
  • 雑誌名: Reviews in Mineralogy and Geochemistry 巻: 89 号: 1 ページ: 453-507
  • DOI: 10.2138/rmg.2023.89.11
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] A curation for uncontaminated Hayabusa2-returned samples in the extraterrestrial curation center of JAXA: from the beginning to present day (2023)
  • 著者名/発表者名: Yada Toru、Abe Masanao、Nishimura Masahiro、...、Tachibana Shogo、Usui Tomohiro
  • 雑誌名: Earth, Planets and Space 巻: 75 号: 1 ページ: 170-170
  • DOI: 10.1186/s40623-023-01924-2
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] A 3D Modeling of Shadow Hiding Opposition Effect on Asteroid Ryugu (2024)
  • 著者名/発表者名: Yokota, Y., Honda, R., Domingue, D., Tatsumi, E., Schroder, S.E., Matsuoka, M., Riu, L., Longobardo, A., Sugita, S., & Morota, T.
  • 学会等名: 55th Lunar and Planetary Science Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Intrinsic Spectral Variation Among C-Type Bright Boulders on Ryugu Revealed from Observations of the Artificial Crater (2024)
  • 著者名/発表者名: Sugita, S., Sugimoto, C., Aoki, M., Takaki, N., Yumoto, K., Morota, T., Cho, Y., Tatsumi, E., Kameda, S., & Honda, R.
  • 学会等名: 55th Lunar and Planetary Science Conference
  • 国際学会
• [学会発表] A Nanosecond Time-Gated Raman Spectroscopy of Clay Minerals, Carbonates, and Salts for Reconstructing the Water Chemistry on Early Mars (2024)
  • 著者名/発表者名: Tabata, H., Cho, Y., Noji, Y., Yumoto, K., Mori, S., Hyuga, H., Sugita, S, et al.
  • 学会等名: 55th Lunar and Planetary Science Conference
  • 国際学会
• [学会発表] A Rapid Response Mission to a Pristine World (2024)
  • 著者名/発表者名: Kuppers, M., Kawakita, H., Bowles, N.,... S. Sugita, et al
  • 学会等名: 55th Lunar and Planetary Science Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Sample Return from the Nectaris Basin on the Moon (2024)
  • 著者名/発表者名: Morota, T., Cho, Y., Nagaoka, H., Nakauchi, Y., Sato, Y., Tabata, H., Sugita, S.,..et al
  • 学会等名: 55th Lunar and Planetary Science Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Sample Return of Purest Anorthosite (PAN) in the Primordial Lunar Crust for Understanding of the Earth-Moon System (2024)
  • 著者名/発表者名: Nagaoka, H., Ohtake, M., Morota, T., Nakauchi, Y., Cho, Y., Sugita, S.,...et al.
  • 学会等名: 55th Lunar and Planetary Science Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Ryugu Sample Distribution Via Four Times of Announcement of Opportunities and Preparation for Bennu Sample Curation Allocated to JAXA (2024)
  • 著者名/発表者名: Yada, T., Abe, M., Fukai, R., Nishimura, M., Hatakeda, ... Sugita, S., et al
  • 学会等名: 55th Lunar and Planetary Science Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Boulder Motion on Asteroid Ryugu Induced by Thruster Gas Disturbance by Hayabusa2 (2024)
  • 著者名/発表者名: Sakatani, N., Kameda, S., Kitsunai, K., Kikuchi, H.,... Sugita, S.,
  • 学会等名: 55th Lunar and Planetary Science Conference
  • 国際学会
• [学会発表] Sample return from the Nectaris basin on the Moon (2024)
  • 著者名/発表者名: Morota T., Cho Y., Nagaoka H., Nakauchi Y., Sato Y., Tabata H., et al.
  • 学会等名: 55th Lunar and Planetary Science Conference
  • 国際学会
• [学会発表] The ESA Hera Mission to the Near-Earth Asteroid Binary (65803) Didymos: Documentation of the NASA DART Impact and Full Characterization of the Asteroid System (2023)
  • 著者名/発表者名: Michel, P. , Kuppers, M. Fitzsimmons, A. , Green, S. , Lazzarin, M. , Ulamec, S. , Abell, P. , Sugita, S. , Martino, P. , Carnelli, I.
  • 学会等名: Asteroids, Comets, Meteors Conference 2023
  • 国際学会
• [学会発表] Surface Manifestations of Earth’s Tidal Force to Asteroid Apophis During the Encounter as a Probe for Sub-Surface Mechanical State (2023)
  • 著者名/発表者名: Sugita, S.
  • 学会等名: Knowledge opportunities for the science of planetary defense
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Observations of Transiting Exoplanets with the Optical Navigation Camera Onboard Hayabusa2 (2023)
  • 著者名/発表者名: Yumoto, K., Kouyama, T., Mimasu, Y., Yamada, M., Morota, T., Cho, Y., Yokota, Y., Hayakawa, M., Tatsumi, E., & Matsuoka, M.
  • 学会等名: 55th Lunar and Planetary Science Conference
• [学会発表] Comet Interceptor ミッションで計測される彗星イオンの推定と搭載されるイオン分析器用ダストシールドの設計 (2023)
  • 著者名/発表者名: 田尾 涼, 笠原 慧
  • 学会等名: 日本惑星科学会 秋季講演会
• [学会発表] Spacecraft charging simulations of probe B1 of Comet Interceptor - implications for plasma measurements (2023)
  • 著者名/発表者名: Bergman,S., Kasahara,S., Miyake, Y., Johansson, F. L.
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2023年大会
  • 国際学会
• [学会発表] Prediction of detected ions by the ion analyzer equipped with the Comet Interceptor using a photochemical reaction model (2023)
  • 著者名/発表者名: Tao, R., Kasahara, S.
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2023年大会
  • 国際学会
• [学会発表] Development of an ion energy mass spectrometer with graphene foil for the Comet Interceptor Mission (2023)
  • 著者名/発表者名: Yoshida, E., Kasahara, S., Tao. R.
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2023年大会
  • 国際学会
• [学会発表] A two-stage deflection system for the extension of the energy coverage in space plasma 3D measurements (2023)
  • 著者名/発表者名: Kasahara S., Tao. R., Yoshida, E., Yokota S.
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会
  • 国際学会
• [学会発表] The Comet Interceptor mission: pre-project activities in 2022-2023 (2023)
  • 著者名/発表者名: Kasahara, S., Funase, R., Nakajima, S., Yoshioka, K., Sakatani, N., ...et al, and the Comet Interceptor team
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2023年大会
  • 国際学会
• [学会発表] Laser-induced breakdown spectroscopy for space exploration (2023)
  • 著者名/発表者名: Yuichiro Cho
  • 学会等名: Optics and Photonics International Congress 2023
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Laser-induced breakdown spectroscopy for planetary exploration (2023)
  • 著者名/発表者名: Yuichiro Cho
  • 学会等名: The 5th Asian Symposium on Laser Induced Breakdown Spectroscopyn
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 電離圏中性大気観測に向けた中性質量分析器の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 米田 匡宏, 齊藤 昭則, 齋藤 義文
  • 学会等名: 地球電磁気・地球惑星圏学会第154回講演会
• [学会発表] 電離圏ロケット観測に向けた中性大気質量分析器の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 米田 匡宏, 齊藤 昭則, 齋藤 義文
  • 学会等名: 中間圏・熱圏・電離圏（MTI）研究会会合
• [学会発表] 月面における３つの重要科学 (2023)
  • 著者名/発表者名: 諸田 智克，長 勇一郎，長岡 央，仲内 悠祐，杉田 精司, 他
  • 学会等名: 日本航空宇宙学会 第54期年会講演会
• [学会発表] 月面サンプルリターンのための月面探査とその科学 (2023)
  • 著者名/発表者名: 諸田 智克，長 勇一郎，長岡 央，仲内 悠祐，田畑 陽久，杉田 精司, 他
  • 学会等名: 日本惑星科学会 秋季講演会
• [学会発表] 火星着陸探査に向けた大気 Ne 同位体測定法の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 三浦弥生, 長勇一郎, 黒川宏之, 齋藤義文, 笠原慧, 吉岡和夫, 熊谷英憲, 岩田尚能, 日向輝, 霜越健多, 山﨑敦, 杉田精司
  • 学会等名: 日本地球化学会 第70回年会
• [学会発表] 火星着陸探査に向けた大気Ne同位体測定法の開発 (2023)
  • 著者名/発表者名: 三浦弥生, 長勇一郎, 黒川宏之, 齋藤義文, 笠原慧, 吉岡和夫, 熊谷英憲, 岩田尚能, 日向輝, 霜越健多, 山﨑敦, 杉田精司
  • 学会等名: 日本質量分析学会同位体比部会
• [学会発表] 火星衛星探査計画MMXのキュレーション/SAWTの検討状況 (2023)
  • 著者名/発表者名: 臼井寛裕, 深井稜太, 藤谷渉, 高野淑識, 馬上謙一, Beck Andrew, Bonato Enrica, Chabot Nancy, 古川善博, 玄田英典, Jourdan Fred, Kleine Thorsten, 小池みずほ, 松岡萌, 三浦弥生, Moynier Frederic, 岡崎隆司, Russell Sara, Zolensky Michael, 菅原春菜, 橘省吾, 坂本佳奈子, 安部正真, 長勇一郎
  • 学会等名: 第67回宇宙科学技術連合講演会