医療・材料から宇宙探査へ： 単発微粒子低速・高速・超高速衝突機構の構築

2018 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 18KK0128
• 研究機関: 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構
• 研究代表者: 矢野 創 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, 助教 (00321571)
• 研究分担者: 新井 和吉 法政大学, 理工学部, 教授 (10202706) ; 平井 隆之 千葉工業大学, 惑星探査研究センター, 研究員 (30737888)
• 研究期間 (年度): 2018-10-09 – 2021-03-31
• キーワード: 固体微粒子 / 超高速衝突 / 低速衝突 / レーザー加速 / 二段式軽ガス銃 / 自由落下 / 宇宙探査 / 無針注射

研究実績の概要

本研究は、将来の深宇宙探査で求められる1~1000ミクロンオーダーの固体微粒子を1~1000m/sオーダーの速度で、真空中にて単発ずつ加速し、衝突現象をリアルタイムで観察できる実験機構群を、3年をめどに世界に先駆けて構築することが目的である。そのために、低速・高速・超高速の速度領域ごとに専用の固体微粒子加速機構を、日米に現存する実験装置を改良して構築する。また全機構に共通する検証用標的を開発し、地上での校正実験と本期間中に打上げ予定の宇宙検証実験の両方を行い、各性能を評価する。
2018年度には、低速と超高速の領域で宇宙科学研究所(ISAS)と法政大学院が持つ衝突実験機構の改良・実験・検証を行った。まず1~10m/sオーダーには真空自由落下チューブを法政大学院に整備した。また法政大学院の一段式軽ガス銃に「運動量伝導ピストン」を追加することで、微粒子を10~100m/sオーダーで射出することができるようになった。超高速である2-6 km/sの範囲では、ISAS二段式軽ガス銃のサボ射出法を調整して、~50ミクロンから数100ミクロン径の単発粒子の加速を可能にした。一方100m-1000m/sオーダーの高速領域では、米国マサチューセッツ工科大学(MIT)の「Laser Induced Particle Impact Test（LIPIT）」機構に小型真空チェンバを新設し、従来のLIPITが大気中で実現した速度範囲である1-2km/sまで、真空中でも1-100ミクロンオーダーの微粒子を加速できることを確認した。
また宇宙実証機会の一つとして想定していた国際宇宙ステーション搭載「たんぽぽ２」実験が2019年夏期打上げに採択されたので、実験準備をタイムリーに推進するため2018年度と2019年度の二か年にかかる関連予算および共同研究体制の見直しを行った。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

本研究は、以下の三つの具体的な作業パッケージに大別される。（１）低速・高速・超高速専用の真空中での固体微粒子加速機構を、日米に現存する実験装置を改良することで構築する、（２）全機構に共通する検証用標的を日米それぞれに開発し、地上での校正実験を行う、（３）本期間中に打上げ予定の宇宙実験・探査計画に同じ標的を搭載し、宇宙での検証実験を行う。
（１）については、低速と超高速を担当する日本の実験装置ではチーム内のこれまでの実績を生かして効率よい開発が進められ、それぞれが分担する速度領域での加速はおおむね実現できた。一方中速～高速を担当するMITのLIPIT装置では本研究採択前の予備実験で大気中での性能評価をほぼ終えていたので、本年度はその結果に基づいて真空チェンバーを日米協力して設計し、MITの費用にて製作し、増設できた。真空中で7ミクロンの単体微粒子を2km/s以上で射出し、高速度撮影・速度測定・標的センサのデータ取得のすべてに成功した。その結果、初年度ながらすべての速度領域で、真空中での固体微粒子の単発加速が実現できた。
（２）については、特に極低密度超高速用捕集材「エアロゲル」、低密度低速度用捕集材「カーボンナノチューブ」、超高速用検出センサ「PVDF」、そして超高速衝突検出新素材「圧電繊維布材」の4種について、地上校正実験を開始できた。
（３）については、2020年度末までの宇宙実証実験の機会の一つとして想定していたものの、本研究申請時には採択されていなかった国際宇宙ステーション搭載「たんぽぽ２」実験が、幸いにも2019年夏期打上げに採択された。そこで、その実験準備を前倒して推進するとともに、2019年度早々より軌道上運用調整の支援を受ける必要が生じたため、当該担当として分担研究者を一人追加し、本年度予算の一部を次年度4月に執行するなど、研究計画を一部見直した。

今後の研究の推進方策

2019年度以降の2か年度は、2018年度の前述の成果に基づき、作業パッケージ3項目についてそれぞれ、以下のように研究を推進する予定である。：（１）低速・高速・超高速専用の真空固体微粒子加速機構の構築、（２）検証用標的の開発と地上校正実験の実施、（３）検証用標的の宇宙検証実験の実施。
（１）については各速度域で宇宙検証用実験装置の衝突校正データの取得を、それぞれの機構にて開始する。特にLIPITについては、本年度達成した2km/s以上の速度に加速して実際の校正実験に資するには、レーザー加熱で溶けない個体微粒子の選定や、照準精度と射出頻度を向上させるために射出部および光学パスのさらなる改良を行う。そのために日本側メンバーのMITへの長期滞在による、LIPIT改良と性能評価の集中的な開発試験を2019年内に実現する予定である。
（２）については、日本側はエアロゲル、カーボンナノチューブ、ＰＶＤＦセンサ、米国側は圧電繊維布材それぞれ開発をさらに進めるとともに、日本国内での加速機構を用いた校正実験のデータ取得にも着手する。米国のLIPITを用いた校正実験データの取得は、（１）の改良のめどがたったのち、2019年度末以降に着手する。
（３）については、まずエアロゲルとカーボンナノチューブを2019年夏期に国際宇宙ステーションに打ち上げる「たんぽぽ２」実験に搭載し、2020年度の地球帰還・評価を想定した一年間の軌道上曝露運用を開始することを目指す。ＰＶＤＦセンサと圧電繊維布材については、それぞれ2020年度打上げ機会の実現を目指して、フライトモデルの開発・地上校正を着実に実施していく。これらを通じて、医療分野のコア技術を宇宙探査に世界で初めて応用する実績を積む。

次年度使用額が生じた理由

本研究の三本柱の一つである「本期間中の宇宙実験・探査計画に検証用標的を搭載した宇宙検証実験の実施」については、2020年度末までの飛翔機会の獲得を想定していたものの、ロケット打上を必須とする宇宙実験の特質上、本研究の申請時にはいずれも実施時期が確定していなかった。エアロゲルとカーボンナノチューブの実証機会となる国際宇宙ステーション搭載「たんぽぽ２」実験は、2018年12月に幸いにも採択され、2019年夏期の打上げが設定された。そこで2018年度末から2019年度初頭にかけて、その軌道上運用調整を支援する分担研究者を一人追加し、かかる費用を2019年4月に執行すべく、本年度の物品費と人件費から2019年度に繰り越した。また米国での打上げ時の現地対応を可能とすべく、2018年度のMITへの実験出張を1人ｘ2回分節約し、2019年度に繰り越した。
法政大学院に整備中の低速衝突機構に必要な消耗品の一部が発注後に、2018年度末に納品時期が年度をまたぐことが判明したため、その支出予定分を2019年度に繰り越した。

研究成果

• [国際共同研究] マサチューセッツ工科大学(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: マサチューセッツ工科大学
• [雑誌論文] 地球周回軌道上の宇宙塵捕集とアストロバイオロジー (2018)
  • 著者名/発表者名: 矢野創
  • 雑誌名: 生物工学会誌 巻: 96 ページ: 684-687
  • 査読あり
• [雑誌論文] Environmental Data and Survival Data of Deinococcus aetherius from the Exposure Facility of the Japan Experimental Module of the International Space Station Obtained by the Tanpopo Mission (2018)
  • 著者名/発表者名: A. Yamagishi, Y. Kawaguchi, H. Hashimoto, H. Yano, E. Imai, S. Kodaira, Y. Uchihori, and K. Nakagawa
  • 雑誌名: Astrobiology 巻: 18 ページ: 1369-1374
  • DOI: 10.1089/ast.2017.1751
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Science exploration and instrumentation of the OKEANOS mission to a Jupiter Trojan asteroid using the solar power sail (2018)
  • 著者名/発表者名: T. Okada, Y. Kebukawa, J. Aoki, J. Matsumoto, H. Yano, T. Iwata, O. Mori, J-P. Bibring, S. Ulamec, and R. Jaumann
  • 雑誌名: Planetary and Space Science 巻: 161 ページ: 99-106
  • DOI: 10.1016/j.pss.2018.06.020
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] EXTRATERRESTRIAL MATERIAL ACCRETION RATE TO THE EARTH MEASURED BY THE TANPOPO CAPTURE PANELS ONBOARD THE ISS IN 2015-2017 (2019)
  • 著者名/発表者名: H. Yano, K. Yamamoto, E. Minakami, M. Eitel, S. Sasaki, J. Imani, K. Okudaira, M. Higashide, E. Imai, Y. Kawaguchi, Y. Kebukawa, H. Mita, M. Nishi, T. Noguchi, M. Tabata, A. Tsuchiyama, H. Yabuta, K. Arai, H. Hashimoto, K. Kobayashi, and A. Yamagishi
  • 学会等名: The 50th Lunar and Planetary Science Conference
  • 国際学会
• [学会発表] OKEANOS: A Solar Power Sail Mission to a Jupiter Trojan Asteroid and Its Updated Science Mission Proposal (2019)
  • 著者名/発表者名: T. Okada, T. Iwata, J. Matsumoto, T. Chujo, Y. Kebukawa, M. Ito, J. Aoki, Y. Kawai, S. Yokota, Y. Saito, K. Terada, M. Toyoda, H. Yabuta, H. Yurimoto, S. Matsuura, K. Tsumura, D. Yonetoku, T. Mihara, A. Matsuoka, R. Nomura, H. Yano, T. Hirai, et al.
  • 学会等名: The 50th Lunar and Planetary Science Conference
  • 国際学会
• [学会発表] 国際宇宙ステーションを利用したアストロバイオロジー実験「たんぽぽ2」の目標と開発状況 (2019)
  • 著者名/発表者名: 三田肇、矢野創，左近樹，小林憲正，癸生川陽子，遠藤いずみ，富田-横谷香織，木村駿太，オン碧，加藤浩，横尾卓哉，佐藤智仁，中川和道，中山美紀
  • 学会等名: 宇宙生命探査シンポジウム設立準備研究会
• [学会発表] EQUULEUS-CLOTHによる宇宙塵計測 (2019)
  • 著者名/発表者名: 中野晴貴、實川律子、石岡英悟、平井隆之、K. Nelson、新井和吉、矢野創
  • 学会等名: 宇宙生命探査シンポジウム設立準備研究会
• [学会発表] 氷天体内部海プリューム微粒子の試料捕集分析・惑星保護技術の研究(3):～帰還試料の密閉分析機構による惑星保護対策の検討～ (2019)
  • 著者名/発表者名: 矢野創、藤島 晧介、田端誠、本郷やよい、高野淑識、渋谷岳造、冨田勝、高井研
  • 学会等名: 第7回宇宙における生命ワークショップ
  • 招待講演
• [学会発表] 地球低軌道から帰還したたんぽぽ捕集パネルアルミフレームの衝突痕と固体微粒子環境モデルとの比較 (2019)
  • 著者名/発表者名: 水上恵利香，東出真澄，山本啓太，長谷川直，山岸明彦，新井和吉，矢野創
  • 学会等名: 平成30年度 宇宙科学に関する室内実験シンポジウム
• [学会発表] 衝突実験および数値解析によるCLOTH検出部の微粒子衝突検出性能評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 實川律子，平井隆之，石岡英悟，中野晴貴，D. Veysset David, M. Hassani-Gangaraj, S. Kooi, C. Schuh，K. Nelson，長谷川直，新井和吉，矢野創
  • 学会等名: 平成30年度 宇宙科学に関する室内実験シンポジウム
• [学会発表] 超高速衝突実験によるCLOTH信号処理回路部の検出可能微粒子直径評価 (2019)
  • 著者名/発表者名: 中野晴貴，平井隆之，石岡英悟，實川律子，藤井雅之，長谷川直，新井和吉，矢野創
  • 学会等名: 平成30年度 宇宙科学に関する室内実験シンポジウム
• [学会発表] たんぽぽ計画の概要と試料解析の現状 (2019)
  • 著者名/発表者名: 矢野創、山岸明彦、橋本博文、横堀伸一、河口優子、小林憲正、三田肇、藪田ひかる、東出真澄、田端誠、河合秀幸、今井栄一
  • 学会等名: 第33回 宇宙環境利用シンポジウム
• [学会発表] たんぽぽミッションによる宇宙塵の地球降下量の経年変化 (2019)
  • 著者名/発表者名: 矢野創，山本啓太，水上恵利香，M. Eitel, 佐々木聰，今仁順也，奥平恭子，東出真澄，今井栄一，河口優子，癸生川陽子，三田肇，西瑞穂，野口高明，田端誠，土山明，薮田ひかる，新井和吉，橋本博文，小林憲正，山岸明彦
  • 学会等名: 第19回宇宙科学シンポジウム
• [学会発表] EQUULEUS搭載科学観測機器PHOENIX，DELPHINUSおよびCLOTHの概要 (2019)
  • 著者名/発表者名: 五十里哲、藤原正寛、近藤宙貴、吉川一朗、吉岡和夫、桑原正輝、荒尾昇吾 、阿部新助、柳澤正久、布施綾太、針間匠作、矢野創、平井隆之、船瀬龍
  • 学会等名: 第19回宇宙科学シンポジウム
• [学会発表] OKEANOSの科学観測 (2019)
  • 著者名/発表者名: 岡田達明、岩田隆浩、松浦周二、津村耕司、米徳大輔、三原建弘、矢野創、平井隆之、松岡彩子、野村麗子、癸生川陽子、伊藤元雄、青木順、河井洋
  • 学会等名: 第19回宇宙科学シンポジウム
• [備考] MIT Nelson's Group News
  • URL: https://nelson.mit.edu/news/high-velocity-micro-particle-impact-gelatin-and-synthetic-hydrogel
• [備考] 理工学研究科は国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構（JAXA）と協定を締結しました
  • URL: http://www.hosei.ac.jp/koho/photo/2018/181206.html
• [備考] 第７回 宇宙における生命ワークショップ
  • URL: http://abc-nins.jp/workshop/7thABCWS_program.pdf
• [備考] 平成30年度 宇宙科学に関する室内実験シンポジウム
  • URL: http://www.isas.jaxa.jp/researchers/symposium/files/experiment2019_4.pdf
• [備考] 宇宙生命探査シンポジウム・準備研究会
  • URL: http://www.isas.jaxa.jp/researchers/symposium/astrobiology/fy2018.html
• [産業財産権] 多層断熱材、宇宙機、損傷診断装置、及び被検出物の検出方法 (2018)
  • 発明者名: 平井隆之、矢野創
  • 権利者名: 平井隆之、矢野創
  • 産業財産権種類: 特許
  • 産業財産権番号: 16/219,993（USA)
  • 外国