超小型火星探査機用Ne計測装置の基礎開発

2017 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 17H01175
• 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: 三浦 弥生 東京大学, 地震研究所, 助教 (90282730) ; 笠原 慧 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 准教授 (00550500) ; 吉岡 和夫 東京大学, 大学院新領域創成科学研究科, 講師 (70637131) ; 黒澤 耕介 千葉工業大学, 惑星探査研究センター, 研究員 (80616433)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: 惑星探査 / 惑星期限・進化 / 惑星大気 / 同位体 / 希ガス / 質量分析装置

研究実績の概要

火星大気に含まれるNe同位体比測定では、同じ質量電価比をもつ“Ar二価イオン”が妨害成分となり、測定精度が出ない。本研究では、分子種により透過特性の異なる分離膜を用いて、質量分析部に導入する前にNeとArを分離し、上記の問題を解決することを目指している。膜材候補として、バイトンとポリイミドを選択し透過特性を評価した。その結果、0.125mm厚のポリイミド膜を用いた分離膜に地球大気（~10^5Pa）を透過させると、20Ne/40Ar比を10^-3（地球大気の値）から10^2まで向上できることが判明した。1mm厚のバイトン膜では20Ne/40Ar比が3桁向上した。これらの結果が、膜内の分子拡散理論で説明できることも確認した。火星大気組成を仮定した透過の理論計算と質量分析計内で作られるAr++/Ar+比（約0.1）とから、0.1mm厚のポリイミド膜でNe測定が可能なことがわかった。これにより、火星大気進化を知る上で重要な20Ne/22Ne比を精度5~10%で測定できる見通しが立った。
また、火星探査に必要な宇宙空間航行期間を想定して、放射線によるポリイミド膜の透過特性劣化度を調べた。50 kradのガンマ線を照射する前後でポリイミド膜に対するNe、Arの透過量に劣化は見られず、十分な放射線耐性を有していることが確認できた。
さらに、NASAの火星探査機搭載装置での使用実績もあるSAES社製のST175を準備して、材質からの脱ガス、標準大気を用いてのガス精製効率（精製時間や精製結果が必要充分であるか等）、固定方法や耐久性、などについて試験や評価を進めた。ゲッター材に7Aで数10分以上電流を流して脱ガスを行うと要求ブランクに近くなること、0.3 Pa程度の地球大気を精製するにはゲッター材に電流を流す必要なないことなどがわかった。

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

本研究計画の肝である分子種による透過分離膜の開発が順調に進展したことが、最も大きな成果である。当初の予想よりバイトンとポリイミドの透過特性に大きな違いがあったことと、放射線耐性の良さから選んだ膜剤候補であるポリイミドの方がむしろ我々の目的に合致した透過特性を持っていたことなどは驚きであったが、我々の目的達成には非常に好都合な驚きであり、繰越申請を行う原因となった。さらに、実験で得られる透過ガス量の曲線はいつも複雑な形を持つため、予測が難しく、実験計画立案を困難にしていた。しかし、本年度の研究の中で、非常に少数のパラメーターのみで精度良く透過ガス量の理論予測ができることが分かった。これは、我々が初めて見つけたわけではないので学問的な価値は大きくはないが、研究計画の迅速な遂行という観点では大変に大きな朗報であった。

今後の研究の推進方策

最も不確実性が高い基盤的な実験と理論モデルの整備が順調に実施できたので、今後は実際の装置開発に向けてより現実的な設計パラメターの選定に向けて開発を進める方針である。その際、最終的には小型実験ロケットなどに搭載する目処をつけることが重要である。そのため、ロケット開発を行っている分担者との搭載条件の摺り合わせを加速していく。
加えて、本科研費と並行して進めている「はやぶさ２」探査では、小惑星の近傍および表面での特殊運用に参画する中で、惑星着陸オペレーションのデリケートさを実感する毎日である。このような運用の機会にその一部だけでも知り得た宇宙機運用の不確定性さは、衛星搭載機器がシンプルな機構と設計でなければならないことを改めて実感させてくれた。今後の計画では、性能向上を図る際にシンプルさの追求により一層の重みを置いた開発方針とする。

研究成果

• [国際共同研究] California Institute of Technology/Planetary Science Institute/NASA Johnson Space Center(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: California Institute of Technology/Planetary Science Institute/NASA Johnson Space Center
  • 他の機関数: 1
• [国際共同研究] ドイツ航空宇宙局(DLR)(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: ドイツ航空宇宙局(DLR)
• [雑誌論文] Effects of Friction and Plastic Deformation in Shock‐Comminuted Damaged Rocks on Impact Heating (2018)
  • 著者名/発表者名: Kurosawa Kosuke、Genda Hidenori
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 45 ページ: 620～626
  • DOI: 10.1002/2017GL076285
  • 査読あり
• [雑誌論文] Correlation between fragment shape and mass distributions in impact disruption (2018)
  • 著者名/発表者名: Kadono Toshihiko、Tanigawa Takayuki、Kurosawa Kosuke、Okamoto Takaya、Matsui Takafumi、Mizutani Hitoshi
  • 雑誌名: Icarus 巻: 309 ページ: 260～264
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2018.03.014
  • 査読あり
• [雑誌論文] Increase in cratering efficiency with target curvature in strength-controlled craters (2018)
  • 著者名/発表者名: Suzuki A.I.、Okamoto C.、Kurosawa K.、Kadono T.、Hasegawa S.、Hirai T.
  • 雑誌名: Icarus 巻: 301 ページ: 1～8
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2017.10.019
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hydrocode modeling of the spallation process during hypervelocity impacts: Implications for the ejection of Martian meteorites (2018)
  • 著者名/発表者名: Kurosawa Kosuke、Okamoto Takaya、Genda Hidenori
  • 雑誌名: Icarus 巻: 301 ページ: 219～234
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2017.09.015
  • 査読あり
• [雑誌論文] A lower limit of atmospheric pressure on early Mars inferred from nitrogen and argon isotopic compositions (2018)
  • 著者名/発表者名: Kurokawa Hiroyuki、Kurosawa Kosuke、Usui Tomohiro
  • 雑誌名: Icarus 巻: 299 ページ: 443～459
  • DOI: 10.1016/j.icarus.2017.08.020
  • 査読あり
• [雑誌論文] Experimental characterization of elastomeric O-rings as reusable seals for mass spectrometric measurements: Application to in situ K?Ar dating on Mars (2017)
  • 著者名/発表者名: Cho Yuichiro、Kameda Shingo、Okuno Mamoru、Horiuchi Misa、Shibasaki Kazuo、Wagatsuma Ryo、Aida Yusuke、Miura Yayoi N.、Yoshioka Kazuo、Okazaki Ryuji、Sugita Seiji
  • 雑誌名: Advances in Space Research 巻: 60 ページ: 1453～1462
  • DOI: 10.1016/j.asr.2017.07.002
  • 査読あり
• [雑誌論文] Quantitative Potassium Measurements with Laser-Induced Breakdown Spectroscopy Using Low-Energy Lasers: Application to In Situ K?Ar Geochronology for Planetary Exploration (2017)
  • 著者名/発表者名: Cho Yuichiro、Horiuchi Misa、Shibasaki Kazuo、Kameda Shingo、Sugita Seiji
  • 雑誌名: Applied Spectroscopy 巻: 71 ページ: 1969～1981
  • DOI: 10.1177/0003702817701941
  • 査読あり
• [雑誌論文] Ecliptic North-South Symmetry of Hydrogen Geocorona (2017)
  • 著者名/発表者名: Kameda S.、Ikezawa S.、Sato M.、Kuwabara M.、Osada N.、Murakami G.、Yoshioka K.、Yoshikawa I.、Taguchi M.、Funase R.、Sugita S.、Miyoshi Y.、Fujimoto M.
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 44 ページ: 11,706～11,712
  • DOI: 10.1002/2017GL075915
  • 査読あり
• [雑誌論文] Hayabusa2 Sampler: Collection of Asteroidal Surface Material (2017)
  • 著者名/発表者名: Sawada Hirotaka、Hayabusa2 SMP Team、Okazaki Ryuji、Tachibana Shogo、Sakamoto Kanako、Takano Yoshinori、Okamoto Chisato、Yano Hajime、Miura Yayoi、Abe Masanao、Hasegawa Sunao、Noguchi Takaaki
  • 雑誌名: Space Science Reviews 巻: 208 ページ: 81～106
  • DOI: 10.1007/s11214-017-0338-8
  • 査読あり
• [雑誌論文] エポックメイキングな隕石たち(その11)：～Allan Hills 84001 隕石～太古の火星を明らかにする隕石, (2017)
  • 著者名/発表者名: 三浦弥生
  • 雑誌名: 日本惑星科学会誌遊星人 巻: 26 ページ: 15-20
  • 査読あり
• [学会発表] Pre-Arrival Scientific Calibration of the Hayabusa2 Multi-Band Visible Camera (2018)
  • 著者名/発表者名: ?サソSugita, S., E. Tatsumi, T. Kouyama, S. Kameda, Y. Yokota, S. Sakatani, H. Suzuki, M. Yamada, H. Sawada, R. Honda, C. Honda, T. Morota, K. Ogawa, M. Hayakawa, K. Yoshioka, N. Ogawa, N., Tanabe, H. Kamiyoshihara, Y. Iijima, ONCツ?Team
  • 学会等名: Lunar and Planetary Science Conference XXXXIX
  • 国際学会
• [学会発表] An analytical model to predict the ejecta velocity distribution and transient crater radii (2018)
  • 著者名/発表者名: Kurosawa, K. and S. Takada
  • 学会等名: Lunar and Planetary Science Conference XXXXIX
  • 国際学会
• [学会発表] Itokawa's Orbital Transition from Main Belt to Near-Earth Orbit as Derived from Spectral Ages of Quasi-Circular Depressions on Itokawa (2018)
  • 著者名/発表者名: Tatsumi,ツ?E., S. Sugita
  • 学会等名: Lunar and Planetary Science Conference XXXXIX
  • 国際学会
• [学会発表] Regolith Properties on the S-Type Asteroid Itokawa Estimated from Photometrical Measurements (2018)
  • 著者名/発表者名: Tatsumi, E., D. Domingue, N. Hirata, K. Kitazato, F. Vilas, S. M. Lederer, P. R. Weissman, S. C. Lowrys, S. Sugita
  • 学会等名: Lunar and Planetary Science Conference XXXXIX
  • 国際学会
• [学会発表] Hayabusa2 Landing Site Selection (LSS) Training: Summary Report of Scientific Evaluation (2018)
  • 著者名/発表者名: Yabuta, H. ,N. Hirata, R. Honda, Y. Ishihara, K. Kitazato, M. Komatsu, A. Miura, K. Matsumoto, T. Morota, T. Nakamura, A. Nakato, T. Noguchi, T. Okada, N. Sakatani, S. Sugita, S. Tachibana, S. Tanaka, E. Tatsumi, S. Watanabe, T. Yamaguchi, Y. Yamamoto, Hayabusa2ツ?Lssaaツ?Team
  • 学会等名: Lunar and Planetary Science Conference XXXXIX
  • 国際学会
• [学会発表] Mars Nano Orbiter: A Cubesat for Mars System Science (2018)
  • 著者名/発表者名: Ehlmann, B. L., A. Klesh, T. Alsedairy, R. Dekany, J. Dickson, C. Edwards, F. Forget, A. Fraeman, D. McCleese, S. Murchie, T. Usui, S. Sugita, K. Yoshioka, J. Baker
  • 学会等名: Lunar and Planetary Science Conference XXXXIX
  • 国際学会
• [学会発表] The Camera of the MASCOT Asteroid Lander on Board Hayabusa 2 - Science Objectives, Imaging Sequences, and Instrument Design (2018)
  • 著者名/発表者名: Schmitz, N., Jaumann, R., Koncz, A., Schroeder, S., Trauthan, F., Mottola, S. Hoffmann, H. Michaelis, H.; Otto, K., Sugita, S. and Perez-Prieto
  • 学会等名: Lunar and Planetary Science Conference XXXXIX
  • 国際学会
• [学会発表] K-Ar Dating System for Mars Lander Missions (2017)
  • 著者名/発表者名: Horiuchi, M., M. Hosokawa, A. Kawashima, M. Uno, Y. Cho, S. Kameda, Y. N. Miura, S. Kasahara, S. Sugita
  • 学会等名: Asia Oceania Geosciences Soceity Meetig
  • 国際学会