2019 Fiscal Year Annual Research Report
Non-linear acceleration mechanism of photo-interaction of ultraviolet diodes and advanced materials
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18H01627
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| Research Institution | Tokai University |
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Principal Investigator |
堀澤 秀之 東海大学, 工学部, 教授 (30256169)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
池田 知行 東海大学, 工学部, 講師 (30758496)
山口 滋 東海大学, 理学部, 教授 (40297205)
船木 一幸 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, 教授 (50311171)
中山 宜典 防衛大学校(総合教育学群、人文社会科学群、応用科学群、電気情報学群及びシステム工学群), システム工学群, 准教授 (80532770)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 紫外光とプラスチック樹脂の相互作用 / 光解離反応に伴う推力発生 / 光解離反応に伴う分子流発生 / 小型人工衛星用推進システム / 紫外光を利用するプラズマ源 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，紫外発光ダイオード（uv-LED）が発するuv光と低結合エネルギーの有機ポリマーや低仕事関数の無機材料との非線形的な光相互作用により，プラズマ（中性原子・分子を含む）を発生（プラズマ源）および加速（推進機）する物理機構を理論的および実験的に解明し，最適なプラズマ発生条件について検討し，さらに工学的応用を追求することを目的とする．2019年度は主として推進システムの作動実験を行った．また，予算は主としてガス分析装置に充当した．また，Gaussianを用いた第一原理シミュレーションの構築に取り組んだ．具体的には以下の通りである．
課題１．uv-LEDと先進材料の非線形光相互作用の物理機構の理論的解明：第一原理分子動力学シミュレーション； 課題２.uv-LEDと先進材料の非線形光相互作用の物理機構の実験的検討１：気体生成特性評価：評価システムの構築； 課題３.uv-LEDと先進材料の非線形光相互作用の物理機構の実験的検討２：被照射材料表面の分析； 課題４．推進性能の評価（推進剤消費率・推力測定）：推進機としての最適条件を検討する．; 課題５．uv光と低仕事関数の金属や無機材料との光相互作用の実験的検討
これらの課題は相補的関係にあり，物理機構検証上何れも不可欠である．なお，本研究で目指す最適条件（uv波長・材料の組合せ）は，a)推力の最大値を得る条件，b)材料表面の質量消費率の最大値を得る条件，c)比推力の最大値を得る条件，d)プラズマ速度の最大値を得る条件，など目的により異なる．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
紫外発光ダイオード（uv-LED）が発するuv光と低結合エネルギーの有機ポリマーや低仕事関数の無機材料との非線形的な光相互作用により，プラズマ（中性原子・分子を含む）を発生（プラズマ源）および加速（推進機）する物理機構を理論的および実験的に解明し，最適なプラズマ発生条件について検討し，さらに工学的応用を追求することを目的に掲げて研究を遂行している．2019年度は主として推進システムの作動実験を行った．また，予算は主としてガス分析装置に当てた．また，Gaussianを用いた理論解析手法の構築に取り組んだ．具体的には以下の通りである．
課題１．uv-LEDと先進材料の非線形光相互作用の物理機構の理論的解明：第一原理分子動力学シミュレーション； 課題２.uv-LEDと先進材料の非線形光相互作用の物理機構の実験的検討１：気体生成特性評価：評価システムの構築; 課題３.uv-LEDと先進材料の非線形光相互作用の物理機構の実験的検討２：被照射材料表面の分析； 課題４．推進性能の評価（推進剤消費率・推力測定）：推進機としての最適条件を検討する．； 課題５．uv光と低仕事関数の金属や無機材料との光相互作用の実験的検討
これらの課題は相補的関係にあり，物理機構検証上何れも不可欠である．なお，本研究で目指す最適条件（uv波長・材料の組合せ）は，a)推力の最大値を得る条件，b)材料表面の質量消費率の最大値を得る条件，c)比推力の最大値を得る条件，d)プラズマ速度の最大値を得る条件，など目的により異なる．
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究の目的は，紫外発光ダイオード（uv-LED）が発するuv光と低結合エネルギーの有機ポリマーや低仕事関数の無機材料との非線形的な光相互作用により，プラズマ（中性原子・分子を含む）を発生（プラズマ源）および加速（推進機）する物理機構を理論的および実験的に解明し，最適なプラズマ発生条件について検討し，さらに工学的応用を追求することである．本研究で提案する方式は，電源の小型・軽量化が極めて容易で，さらにuv光輝度の制御で推進性能を高精度で制御できる特徴がある．この方法を超小型衛星に搭載し，我が国独自の技術としていち早く工学的価値を実証することは極めて重要で，これが本研究の最終的な目標である．
2020年度は，上記課題1～5を継続的に実施し，さらにはこれらに加えて，以下を実施する．
課題６．uv-LEDと先進材料の非線形光相互作用の物理機構の実験的検討１―プラズマ生成特性評価：1)発生物質（原子・分子・イオン）同定，密度・温度計測，エネルギー分布計測，2)分析装置：四重極型質量分析計，レーザー分光．
課題７．CubeSat用推進システムの構築：1U-CubeSatに収まるシステム構築を目指す．目標サイズはPPU込みで厚さ1cm×10cm平方でスラスタ最大8機の搭載を目標とする（最大消費電力2W，質量100g）．
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