水惑星表面の氷・含水鉱物・塩の計測を目指した小型レーザー発光分光装置の宇宙機開発

• 研究領域: 水惑星学の創成
• 研究課題/領域番号: 20H04607
• 研究種目: 新学術領域研究(研究領域提案型)
• 配分区分: 補助金
• 審査区分: 理工系
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 長 勇一郎 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (00737687)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2022-03-31
• 研究課題ステータス: 完了 (2021年度)
• 配分額: 12,220千円 (直接経費: 9,400千円、間接経費: 2,820千円); 2021年度: 6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円); 2020年度: 5,850千円 (直接経費: 4,500千円、間接経費: 1,350千円)
• キーワード: レーザー誘起ブレークダウン分光 / 惑星探査 / 小型光学系 / 宇宙用駆動部 / 地球化学分析 / レーザー分光分析 / 機器開発 / レーザー誘起プラズマ発光分光法 / 氷分析 / 含水鉱物

研究開始時の研究の概要

本研究では、申請者が行ってきた月面での水氷検出研究を発展させ、(1)月面や小惑星、氷衛星の表面において水や含水鉱物、および塩を検出し定量する分析技術を開発するとともに、(2)同装置の光検出部の宇宙環境耐性化を進める。具体的には、通常のLIBSでは原理的に識別が不可能な水氷と含水鉱物を識別する手法を開発し、宇宙の放射線・低温・打ち上げ時の衝撃や振動に耐えられるような超小型で高効率の宇宙用可視分光器を新規開発する。

研究実績の概要

本研究では、水惑星表面の氷・含水鉱物・塩の計測を目指した小型レーザー発光分光装置の開発を行った。2021年度は、2020年度までに実施した宇宙用装置の設計を更に進めるとともに、最も開発要素が大きい項目であった「レーザー照射点位置調整用レンズ駆動系」の試験を重点的に実施した。
まず宇宙用装置の設計として、光学メーカのご支援を受けながら (a)プラズマ発光計測用分光器 (b)試料観察用カメラ(c)集光用望遠鏡の三つを組み合わせた光学系を設計した。また、将来の惑星探査計画への応用を念頭に置いて、レーザーを含む装置全体の配置や機構の設計を行い、その動作に必要となる電力や重量を算定した。得られた光学系や各種コンポーネントの設計から、宇宙用レーザー発光分光装置は10 kg以下の重量、20 W以下の電力で達成できるとの目処が得られた。
これと並行して、レーザー照射点位置調整用レンズ駆動系の機能試験と耐環境性能試験を重点的に実施した。レーザーの照射点距離の調整のためには、レンズを前後に動かす駆動部を光路中に挿入する必要がある。真空中での動作が保証されている民生用小型ステッピングモータを使用し、その回転をリードネジとナットによって直進運動に変換する機構によってレンズの直進動作を実現した。この機構を活用することで、レーザー照射点を1 m以上の距離にわたって移動することができる。また、共軸のカメラによって得られる試料画像のコントラストが最大になる位置を合焦点と判定する手法を用いて、レーザー照射のピント合わせが成立することを確認した。また、宇宙用駆動部つき光学系を製作して、光学性能試験、駆動性能試験、熱真空試験、振動試験、衝撃試験を実施した。その結果、いずれも問題がないことが確認された。
本研究により、小型レーザー発光分光装置の設計解が得られ、かつ最も重要で技術的困難が予想された駆動部の宇宙向け実証が完了した。

現在までの達成度 (段落)

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [国際共同研究] ドイツ航空宇宙センター(ドイツ)
• [雑誌論文] In situ science on Phobos with the Raman spectrometer for MMX (RAX): preliminary design and feasibility of Raman measurements (2021)
  • 著者名/発表者名: Cho Yuichiro、Boettger Ute、Rull Fernando、Huebers Heinz-Wilhelm、Belenguer Tom?s、B?rner Anko、Buder Maximilian、 et al.
  • 雑誌名: Earth, Planets and Space 巻: 73 号: 1 ページ: 232-242
  • DOI: 10.1186/s40623-021-01496-z
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Mars’ atmospheric neon suggests volatile-rich primitive mantle (2021)
  • 著者名/発表者名: Kurokawa Hiroyuki、Miura Yayoi N.、Sugita Seiji、Cho Yuichiro、Leblanc Francois、Terada Naoki、Nakagawa Hiromu
  • 雑誌名: Icarus 巻: 370 ページ: 114685-114685
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2021.114685
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Development of image texture analysis technique for boulder distribution measurements: Applications to asteroids Ryugu and Itokawa (2021)
  • 著者名/発表者名: Tanabe Naoya、Cho Yuichiro、Tatsumi Eri、Ebihara Tatsuki、Yumoto Koki、Michikami Tatsuhiro、Miyamoto Hideaki、Morota Tomokatsu、et al.
  • 雑誌名: Planetary and Space Science 巻: 204 ページ: 105249-105249
  • DOI: 10.1016/j.pss.2021.105249
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Geologic History and Crater Morphology of Asteroid (162173) Ryugu (2021)
  • 著者名/発表者名: Cho Y.、Morota T.、Kanamaru M.、Takaki N.、Yumoto K.、Ernst C. M.、et al.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Planets 巻: 126 号: 8
  • DOI: 10.1029/2020je006572
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Preliminary analysis of the Hayabusa2 samples returned from C-type asteroid Ryugu (2021)
  • 著者名/発表者名: Yada Toru、Abe Masanao、et al.
  • 雑誌名: Nature Astronomy 巻: 6 号: 2 ページ: 214-220
  • DOI: 10.1038/s41550-021-01550-6
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Crater depth-to-diameter ratios on asteroid 162173 Ryugu (2021)
  • 著者名/発表者名: Noguchi Rina、Hirata Naoyuki、Hirata Naru、Shimaki Yuri、Nishikawa Naoki、Tanaka Sayuri、Sugiyama Takaaki、Morota Tomokatsu、Sugita Seiji、Cho Yuichiro、Honda Rie、Kameda Shingo他
  • 雑誌名: Icarus 巻: 354 ページ: 114016-114016
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2020.114016
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Spectral characterization of the craters of Ryugu as observed by the NIRS3 instrument on-board Hayabusa2 (2021)
  • 著者名/発表者名: Riu Lucie、Pilorget Cedric、Milliken Ralph、Kitazato Kohei、Nakamura Tomoki、Cho Yuichiro、Matsuoka Moe、Sugita Seiji、Abe Masanao、Matsuura Shuji、Ohtake Makiko、Kameda Shingo、Sakatani Naoya、Tatsumi Eri、Yokota Yasuhiro、Iwata Takahiro
  • 雑誌名: Icarus 巻: 357 ページ: 114253-114253
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2020.114253
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] An artificial impact on the asteroid 162173 Ryugu formed a crater in the gravity-dominated regime (2020)
  • 著者名/発表者名: Arakawa, M., Saiki, T., Wada, K., Ogawa, K., Kadono, T., Shirai, K., Sawada, H., Ishibashi, K., Honda, R., Sakatani, N., Iijima, Y., Okamoto, C., Yano, H., Takagi, Y., Hayakawa, M., Michel, P., Jutzi, M., Shimaki, Y., Kimura, S., Mimasu, Y., Toda, T., Imamura, H., Nakazawa, S., Hayakawa, H., Sugita, S., et al.
  • 雑誌名: Science 巻: 368 号: 6486 ページ: 67-71
  • DOI: 10.1126/science.aaz1701
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Sample collection from asteroid (162173) Ryugu by Hayabusa2: Implications for surface evolution (2020)
  • 著者名/発表者名: Morota, T., Sugita, S., Cho, Y., Kanamaru, M., Tatsumi, E., Sakatani, N., Honda, R., Hirata, N. et al.
  • 雑誌名: Science 巻: 368 号: 6491 ページ: 654-659
  • DOI: 10.1126/science.aaz6306
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Ne-Ar separation using a permeable membrane to measure Ne isotopes for future planetary explorations (2020)
  • 著者名/発表者名: Miura Yayoi N.、Okuno Mamoru、Cho Yuichiro、Yoshioka Kazuo、Sugita Seiji
  • 雑誌名: Planetary and Space Science 巻: 193 ページ: 105046-105046
  • DOI: 10.1016/j.pss.2020.105046
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] LIBS を用いた月隕石元素分析の精度向上研究 (2021)
  • 著者名/発表者名: 小倉 暁乃丞 ほか
  • 学会等名: 日本惑星科学会 2021年度秋季講演会
• [学会発表] 火星衛星探査計画 MMX ROVER 搭載機器の 科学目標と開発状況 (2021)
  • 著者名/発表者名: 長 勇一郎 ほか
  • 学会等名: 第65回宇宙科学技術連合講演会
  • 国際学会
• [学会発表] MMX ローバ搭載用ラマン分光計 RAX の エンジニアリングモデル開発状況 (2020)
  • 著者名/発表者名: 長勇一郎 , 湯本航生, 小倉暁乃丞 , 亀田真吾, 臼井寛裕, Ute Boettger, Conor Ryan, Maximilian Buder, Till Hagelschuer, Selene Routley, Enrico Dietz, Emanuel Kopp, Heinz-W. Huebers, Andoni Moral, Fernando Rull
  • 学会等名: 日本惑星科学会 秋季講演会