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2011 年度 実施状況報告書

不活性惑星高層大気分子との高速衝突による化学的材料損傷リスク評価

研究課題

研究課題/領域番号 23656539
研究機関神戸大学

研究代表者

田川 雅人  神戸大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (10216806)

研究分担者 横田 久美子  神戸大学, 工学(系)研究科(研究院), 助手 (20252794)
研究期間 (年度) 2011-04-28 – 2013-03-31
キーワード宇宙環境 / 不活性分子 / 材料劣化 / 原子状酸素
研究概要

本研究は、宇宙環境工学の分野でこれまで全く考慮されてこなかった原子状酸素以外の大気成分と宇宙機表面との相互作用の可能性を、理論計算結果に基づいた実験により検証するものである。そのために、低軌道原子状酸素環境を模擬するためのレーザーデトネーション型原子ビーム発生装置を用いて8km/sの不活性分子ビームを形成し、不活性分子の高速衝突による材料劣化を定量的に評価する。平成23年度は本プロジェクトの初年度であり、軌道上の環境に近いビームプロファイルを実現するための装置の改修と整備を行った。窒素分子ビーム形成実験を行った結果、以下のような結果と問題点が明らかになった。(1)窒素100%ガスを用いてビーム形成を試みたところ、窒素分子と原子状窒素を含むビームが形成される。(2)飛行時間スペクトルにおける原子状窒素のピーク強度は窒素分子ピーク強度よりも大きく、窒素分子の大部分が原子状窒素に解離している。(3)窒素分子の解離はビームの並進エネルギーが大きくなると促進される傾向がある。これらの実験データから、超低軌道領域における窒素分子の高エネルギー衝突の効果を地上実験で再現するためには窒素ガスをターゲットガスに用いるのは適当ではないと結論された。一方、アルゴン100%ガスを用いてビーム形成を行ったところ、超熱アルゴンビームの形成が確認され、軌道上での窒素分子と材料の科学的反応性との差異を考慮できればアルゴンビームで軌道上での高エネルギー原子衝突環境の模擬が可能であることが示唆された。

現在までの達成度 (区分)
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

実験は概ね順調に進展している。平成23年度には本システムに使用していた大型ターボ分子ポンプが故障するという想定外の事態が生じたが、本プロジェクト予算で代替品を措置することができ、実験を継続する事ができた。それに伴い、当初計画から購入品が一部変更されている。本実験装置で使用していたパルスバルブを高速応答のピエゾバルブに交換し、さらにビーム軸中のスリット径を再検討することにより、原子ビームの正確な飛行時間スペクトルの取得を可能となった。一方、軌道上における窒素分子の高エネルギー衝突を地上で模擬する際に、レーザーデトネーション現象により窒素分子の解離が生じるという問題は、当初からある程度予想された現象であり、これを回避するために単原子分子であるアルゴンガスの適用を検討した。アルゴンビームを用いた実験結果は良好であり、次年度にアルゴンビーム実験を実施するに向けての当初目的をほぼ達成した。

今後の研究の推進方策

超低軌道における窒素分子の高エネルギー衝突の効果を地上実験で再現するためには、軌道上における窒素分子と材料の科学的反応性との差異を考慮できればアルゴンビームで軌道環境の模擬が可能であることが平成23年度の研究結果から明らかになった。そこで、平成24年度にはアルゴンビームと高速チョッパーの組み合わせにより軌道上の窒素分子衝突エネルギーを模擬し、材料劣化量の測定を行う。具体的には水晶振動子上に成膜したポリイミドやフッ素系高分子薄膜にアルゴンビームを照射し、共振周波数の変化から、材料劣化現象の発現の有無、ならびに理論計算で予測されているエネルギー依存性等を測定する。これにより不活性原子の高エネルギー衝突が材料劣化に及ぼす影響を評価する。また、表面分析により窒素とアルゴンの反応性の差異が材料劣化現象に与える効果も併せて評価する。これらの実験により、原子状酸素の化学的反応性と物理的衝突エネルギーの効果を切り分けた理解が可能となる。平成24年度は研究最終年度であることから、本研究で得られた結果を総括し、低軌道における不活性分子の高エネルギー衝突が宇宙用材料へ与える効果について、ミッションリスクアセスメントを含む評価を行うとともに、SLATS等の超低軌道ミッションプロジェクトへの助言を行う。

次年度の研究費の使用計画

平成24年3月にオランダで実施予定であった研究協力者との打ち合わせが先方の都合により5月に延期されたことから、平成23年度の外国旅費の一部が平成24年度に繰り越された。平成24年度には大きな装置系の変更は予定されておらず、研究費は主として実験用の消耗品と成果発表用の旅費である。本研究での結果は平成24年9月に開催される本分野の国際会議ISMSE-12, IAC-63等で発表予定である。

  • 研究成果

    (28件)

すべて 2012 2011 その他

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (22件) 図書 (1件) 備考 (1件)

  • [雑誌論文] Comparison of macro and microtribological properties of molybdenum disulfide film exposed to LEO space environment2012

    • 著者名/発表者名
      Masahito Tagawa, Kumiko Yokota, Kunitaka Ochi,Masao Akiyama, Koji Matsumoto, Mineo Suzuki
    • 雑誌名

      Tribology Letters

      巻: 45 ページ: 349-356

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Fabrication of Fluorine-terminated Diamond-Like Carbon Thin Film Using a Hyperthermal Atomic Fluorine Beam2011

    • 著者名/発表者名
      Kazuhiro Kanda, Noriko Yamada, Kumiko Yokota, Masato Tagawa, Masahito Niibe, Makoto Okada, Yuichi Haruyama and Shinji Matsui,
    • 雑誌名

      Diamond and Related Materials

      巻: 20 ページ: 703-706

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Effect of the Soft X-rays on Highly Hydrogenated Diamond-Like Carbon Films2011

    • 著者名/発表者名
      Kazuhiro Kanda, Kumiko Yokota, Masahito Tagawa, Mayumi Tode, Yuden Teraoka, Shinji Matsui,
    • 雑誌名

      Japanese Journal of Applied Physics

      巻: 50 ページ: No.05580

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 宇宙材料の熱物性とシステムデザイン研究会2011

    • 著者名/発表者名
      田川雅人、太刀川純孝
    • 雑誌名

      熱物性

      巻: 25 ページ: 220-221

  • [学会発表] 酸素雰囲気におけるDLC膜の軟X線照射効果2012

    • 著者名/発表者名
      藤本昌宏、新部正人、神田一浩、横田久美子、田川雅人
    • 学会等名
      第58回応用物理学関係連合講演会
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      2012.3.15
  • [学会発表] Si添加高水素DLC膜への原子状酸素照射による保護膜形成過程の衝突エネルギー依存2012

    • 著者名/発表者名
      田川雅人、横田久美子、吉越章隆、寺岡有殿
    • 学会等名
      第58回応用物理学関係連合講演会
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      2012.3.15
  • [学会発表] レーザーデトネーション法による超音速混合原子ビームの形成2012

    • 著者名/発表者名
      横田久美子、安田茂、水谷朗、田川雅人
    • 学会等名
      第58回応用物理学関係連合講演会
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      2012-03-15
  • [学会発表] Accuracy of Kapton-equivalent atomic oxygen fluence in a ground-based atomic oxygen experiments2011

    • 著者名/発表者名
      Kumiko Yokota, Masahito Tagawa
    • 学会等名
      62nd International Astronautical Congress
    • 発表場所
      Cape Town, South Africa
    • 年月日
      20111003-07
  • [学会発表] クリアランスレベルの災害廃棄木材からの宇宙用材料開発の試み2011

    • 著者名/発表者名
      畑 俊充, 田川雅人、小嶋浩嗣 、梶本武志
    • 学会等名
      東日本大震災復興に向けた生存圏シンポジウム
    • 発表場所
      宇治
    • 年月日
      2011.8.30
  • [学会発表] 水素化DLC膜に対する軟X線照射効果2011

    • 著者名/発表者名
      神田一浩、藤本昌宏、新部正人、松井真二、横田久美子、田川雅人
    • 学会等名
      第72回応用物理学会学術講演会
    • 発表場所
      山形
    • 年月日
      2011.8.29
  • [学会発表] Si添加高水素DLC膜からの原子状酸素照射時における揮発性反応生成物脱離2011

    • 著者名/発表者名
      田川雅人、横田久美子、岸田和博、古山雄一、戸出真由美、吉越章隆、寺岡有殿、Timothy K. Minton
    • 学会等名
      第72回応用物理学会学術講演会
    • 発表場所
      山形
    • 年月日
      2011.8.29
  • [学会発表] 低軌道宇宙環境における高分子材料劣化2011

    • 著者名/発表者名
      田川雅人, 横田久美子
    • 学会等名
      高分子学会講演会「星を翔ける高分子―材料開発の視点から宇宙開発をみる―」(招待講演)
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      2011.7.8
  • [学会発表] Erosion resistance of Si-containing carbonized lignin to atomic oxygen2011

    • 著者名/発表者名
      Takeshi Kajimoto, Toshimitsu Hata, Masahito Tagawa, Hirotsugu Kojima, Hajime Hayakawa,
    • 学会等名
      10th International Space Conference, Protection of Materials and Structure in a Space Environment,
    • 発表場所
      Okinawa, Japan
    • 年月日
      2011.6.12
  • [学会発表] Reaction mechanism of the irradiation of soft X-ray to the diamond-like carbon films2011

    • 著者名/発表者名
      Kazuhiro Kanda, Masahito Niibe, Masahito Tagawa, Kumiko Yokota
    • 学会等名
      10th International Space Conference, Protection of Materials and Structure in a Space Environment,
    • 発表場所
      Okinawa, Japan
    • 年月日
      2011.6.12
  • [学会発表] Protection of the plastic front lens of the JEM-EUSO telescope from atomic-oxygen erosion2011

    • 著者名/発表者名
      Yoshiyuki Takizawa, Hiroyuki Shimamura, Masahito Tagawa
    • 学会等名
      10th International Space Conference, Protection of Materials and Structure in a Space Environment,
    • 発表場所
      Okinawa, Japan
    • 年月日
      2011.6.12
  • [学会発表] Extreme ultraviolet emission form a carbon dioxide laser-sustained oxygen plasma2011

    • 著者名/発表者名
      Akira Mizutani, Kazuhiro Kishida, Kumiko Yokota, Masahito Tagawa, Hiroyuki Shimamura, Yugo Kimoto, Mayuko Koga, Hiroaki Nishimura,
    • 学会等名
      10th International Space Conference, Protection of Materials and Structure in a Space Environment,
    • 発表場所
      Okinawa, Japan
    • 年月日
      2011.6.12
  • [学会発表] Survivability of silicon-doped diamond-like carbon films in energetic atomic/molecular oxygen beam environments2011

    • 著者名/発表者名
      Masahito Tagawa, Kazuhiro Kishida, Kumiko Yokota, Koji Matsumoto, Akitaka Yoshigoe, Yuden Teraoka, Jianming Zhang, Timothy K. Minton
    • 学会等名
      10th International Space Conference, Protection of Materials and Structure in a Space Environment,
    • 発表場所
      Okinawa, Japan
    • 年月日
      2011.6.12
  • [学会発表] Microtribological properties of molybdenum disulfide bonded film exposed to space environment by SM/SEED mission2011

    • 著者名/発表者名
      Masahito Tagawa, Kumiko Yokota, Masao Akiyama, Koji Matsumoto, Mineo Suzuki
    • 学会等名
      10th International Space Conference, Protection of Materials and Structure in a Space Environment,
    • 発表場所
      Okinawa, Japan
    • 年月日
      2011.6.12
  • [学会発表] Hydrogen removal from hydrogenated diamond-like carbon films by photon and energetic atomic oxygen exposures2011

    • 著者名/発表者名
      Kumiko Yokota, Masahito Tagawa, Koji Matsumoto, Yuichi Furuyama, Akira Kitamura, Kazuhiro Kanda, Mayumi Tode, Akitaka Yoshigoe, Yuden Teraoka
    • 学会等名
      10th International Space Conference, Protection of Materials and Structure in a Space Environment,
    • 発表場所
      Okinawa, Japan
    • 年月日
      2011.6.12
  • [学会発表] Evaluation and application of the EUV emitted from a laser-detonation atomic oxygen space environmental simulator: FY2010 report2011

    • 著者名/発表者名
      M. Tagawa, K. Yokota, H. Shimamura, Y. Kimoto, M. Koga,, H. Nishimura,
    • 学会等名
      大阪大学レーザー研シンポジウム2011
    • 発表場所
      吹田
    • 年月日
      2011.5.11
  • [学会発表] DLC膜の軟X線照射効果2011

    • 著者名/発表者名
      藤本昌宏, 神田一浩, 横田久美子, 田川雅人
    • 学会等名
      第25回ダイヤモンドシンポジウム
    • 発表場所
      つくば
    • 年月日
      2011.12.7
  • [学会発表] SLATS MDMによるフッ素系高分子材料の宇宙環境誘起劣化原因の解明2011

    • 著者名/発表者名
      田川雅人、安田 茂、水谷 朗、横田久美子
    • 学会等名
      第55回宇宙科学技術連合講演会
    • 発表場所
      松山
    • 年月日
      2011.11.30
  • [学会発表] 原子状酸素照射による多層膜可変放射率素子の太陽光吸収率の変化2011

    • 著者名/発表者名
      田川雅人、笹倉康義、横田久美子、寺岡有殿、太刀川純孝、大西晃
    • 学会等名
      第32回日本熱物性シンポジウム
    • 発表場所
      横浜
    • 年月日
      2011.11.21
  • [学会発表] レーザーデトネーション法を用いた超音速混合原子ビームの形成と評価2011

    • 著者名/発表者名
      横田久美子、安田 茂、水谷 朗、田川雅人
    • 学会等名
      第52回真空に関する連合講演会
    • 発表場所
      東京
    • 年月日
      2011.11.16
  • [学会発表] Polymer degradation in LEO: Does synergistic effect really exist?2011

    • 著者名/発表者名
      Masahito Tagawa
    • 学会等名
      Hayama Aerospace Workshop(招待講演)
    • 発表場所
      逗子
    • 年月日
      2011.11.10
  • [学会発表] 超低軌道領域におけるフッ素系高分子材料の材料劣化原因に関する地上研究2011

    • 著者名/発表者名
      安田茂、水谷 朗、横田久美子、田川雅人
    • 学会等名
      第55回宇宙科学技術連合講演会
    • 発表場所
      松山
    • 年月日
      2011-11-30
  • [図書] 宇宙機のシステム熱設計2011

    • 著者名/発表者名
      田川雅人他
    • 総ページ数
      344
    • 出版者
      青葉堂
  • [備考]

    • URL

      http://www.space-environmental-effect.jp/index.html

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公開日: 2013-07-10  

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