惑星大気ネオンのその場測定に向けた膜透過によるネオン―アルゴン分離手法の確立

• 研究課題/領域番号: 23K03472
• 研究種目: 基盤研究(C)
• 配分区分: 基金
• 応募区分: 一般
• 審査区分: 小区分17010:宇宙惑星科学関連
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 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 (2024年度)
• 配分額: 4,680千円 (直接経費: 3,600千円、間接経費: 1,080千円); 2025年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円); 2024年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円); 2023年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円)
• キーワード: 火星大気 / ネオン同位体 / 希ガス同位体 / 膜透過 / ポリイミド / 質量分析計 / 惑星探査 / 透過膜 / 質量分析 / 惑星大気 / 膜分離

研究開始時の研究の概要

惑星大気中に存在する希ガスの元素・同位体組成は、捕獲・脱ガス・散逸などの物理的プロセスの影響を受けて元来の組成から変化するため、起源物質やそれらの現象を制約するのに有用である。
本研究計画では、観測データが限られている惑星大気ネオンに着目し、特に火星大気のその場ネオン計測に向けて測定法の開発を行う。質量分析計を用いたネオン同位体測定においては、妨害元素となるアルゴンを除去する必要がある。そこで、探査機への搭載を念頭に「大気を分離膜に透過させることによりネオンをアルゴンから分離する手法」の確立を目指し実証実験を行う。

研究実績の概要

本研究では、惑星大気ネオンのその場測定を実現するための装置開発を念頭に、(i) 質量分析計によるネオン同位体測定において、干渉イオンとなり測定を妨害するアルゴンとの分離法の確立、および (ii) 惑星探査（特に火星探査）条件下における測定システム全体の仕様案の構築、を目指している。地球や火星などの惑星大気ではネオンに比べてアルゴンの存在度が高いため（それにより20Ne+測定において40Ar++が妨害ピークなるため）、ネオンとアルゴンを効率良く分離して選択的にネオンを質量分析計に導入する必要がある。そのため大気を分離膜に透過させることよりネオン／アルゴン比を高める方法を検証してきている。前年度に引き続きポリイミド膜を分離膜として用いて大気を透過させる実証実験を進めて、ネオン／アルゴン比を5-6桁高められることやポリイミド膜をメタルガスケットを用いて真空フランジに固定する方法が探査においても利用できそうなことを確認した。また、模擬火星大気ガスとして地球大気と二酸化炭素を混合し全圧をおよそ火星大気圧の約600Paに調整したガスを作成し、それを透過させる実験を行い、概ね分圧に比例したネオン透過の結果が得られた。これまでの実験では二酸化炭素が主成分であることによる悪影響も特に見られていない。一方で、火星大気ネオン同位体測定の場合は、分圧が低いのでポリイミド膜の面積を大きくして透過ネオン量を確保する必要があり、複数の膜（例えば現在の実験に用いているサイズx3個）を並列に配置すること、および分析装置の感度向上やバックグランド低減が課題と考えている。

現在までの達成度

2: おおむね順調に進展している

理由

地球大気を用いた透過実験では、「厚さ100μm程度のポリイミド膜」に60分程度大気を透過させるとネオンをアルゴンから有効に分離でき、ネオン同位体測定を行えることが確認できている。同一条件下での透過の再現性、低温下における透過特性の変化（低温では透過量が減少）、外的要因に対する膜保持フランジの堅牢性（衝撃や振動を与えても真空シールが保たれていること）などに関して実験データが得られている。これまでの透過実験では想定外の問題は生じていないが、今後惑星探査に適用するためには、装置全体を小型化することや探査で使用する質量分析計の性能・特性確認が必要であり、基礎実験のデータをもとにしながらそれらの検討をより具体的に行っていく計画である。

今後の研究の推進方策

これまでの透過実験の多くは、1気圧の地球大気を膜透過させて行っているので、大気圧が低い場合や主要組成が異なる場合の透過実験をさらに進める計画である。別途準備中の模擬火星大気（二酸化炭素、アルゴン、ネオン、ヘリウムを火星大気組成に合わせ混合したガス）を使用できる予定であるので、それを用いた透過実験を行っていく。さらに、探査機搭載用質量分析計を開発するグループが所有する模擬フライトモデルの装置を使用してネオン測定データを収集すること、宇宙用小型バルブや真空ポンプが本研究が目指す惑星大気ネオン同位体測定に使用可能であるかを検証すること、などを進める計画である。その際には、測定装置のバックグランド（特にネオン、アルゴン、二酸化炭素）を充分に低くすること、火星着陸探査検討コミュニティーに参加し装置開発における制約事項（装置重量、電力量、温度耐性条件など）の情報を共有すること、なども必要である。それらの課題を克服しながら、実証実験に使用する装置が探査機に搭載可能なものに近づくことを目指していく。

研究成果

• [雑誌論文] Validation Experiments for In Situ Ne Isotope Analysis on Mars: Gas Separation Flange Assembly Using Polyimide Membrane and Metal Seal (2024)
  • 著者名/発表者名: Cho Yuichiro、Miura Yayoi N.、Hyuga Hikaru、Shimokoshi Kenta、Yoshioka Kazuo、Kurokawa Hiroyuki、Kumagai Hidenori、Iwata Naoyoshi、Kasahara Satoshi、Tabata Haruhisa、Aida Mari、Saito Yoshifumi、Sugita Seiji
  • 雑誌名: The Planetary Science Journal 巻: 5 号: 8 ページ: 187-187
  • DOI: 10.3847/psj/ad66ba
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The Earth atmosphere-like bulk nitrogen isotope composition obtained by stepwise combustion analyses of Ryugu return samples. (2024)
  • 著者名/発表者名: Hashizume K, Ishida A, Chiba A, Okazaki R, et al.
  • 雑誌名: Meteoritics and Planetary Science 巻: - 号: 8 ページ: 2117-2133
  • DOI: 10.1111/maps.14175
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [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
• [学会発表] Development of an in-situ K-Ar isochron dating instrument for Mars mission: Evaluation of K calibration models using Zagami shergottite (2025)
  • 著者名/発表者名: Hyuga H., Cho Y., Miura Y. N., Mikouchi T. and Sugita S.
  • 学会等名: Lunar and Planetary Science Conference 2025
  • 国際学会
• [学会発表] 火星大気Neの同位体比その場測定のためのNe-Ar分離装置の開発：分離膜を用いた真空配管設計に関する実験と考察 (2024)
  • 著者名/発表者名: 霜越健多, 長勇一郎, 三浦弥生, 杉田精司, 日向輝, 吉岡和夫, 笠原彗, 斎藤義文, 黒川宏之, 熊谷英憲, 岩田尚能
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2024年大会
• [学会発表] Noble gases in a polymict eucrite, an unbrecciated eucrite and a howardite (2024)
  • 著者名/発表者名: Miura Yayoi and Okazaki Ryuji
  • 学会等名: 86th Annual Meeting of the Meteoritical Society
  • 国際学会
• [学会発表] Current status of Martian Moons eXploration (MMX) contamination control and curation activity (2024)
  • 著者名/発表者名: Sugahara H., Sakamoto K., Fukai R., Usui T., Abe M., Nagashima K., Nakano A., Kimura S., Ozawa T., Sawada H., Kato H., Sato Y., Yoshikawa K., Takano Y., Fujiya W., Bajo K., Tachibana S., Miura Y., Zolensky M., Gonzalez C., Rodriguez M., Calva C., Seto E. P. et al.
  • 学会等名: Hayabusa Symposium 2024
  • 国際学会
• [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 Fredric, 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（日本航空宇宙学会）