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古川宇宙飛行士はISSでどんな実験をしてる？金属やガラスを浮かせて溶かす「静電浮遊炉」担当者に聞いた

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　2023年8月から古川聡宇宙飛行士が国際宇宙ステーション（ISS）に長期滞在し、日本の「きぼう」実験棟において日々様々なミッションをこなしている。ただ、日本人宇宙飛行士のISS到着と帰還はニュースになり、一般の人々が目にする機会も多いが、実際に宇宙飛行士が地上から約400km上空でどのような活動をし、それがいずれ我々の生活にどう結びついていくのかを知る人は少ないのが実情だ。

　そこで、この連載では宇宙航空研究開発機構（JAXA）の地上担当者に話を聞きながら、現在古川氏が携わっている「きぼう」での様々な実験内容を紹介していく。

　連載の第1回目となる今回は「静電浮遊炉（ELF）を使用した高精度熱物性測定」について。実験担当のJAXA 有人宇宙技術部門きぼう利用センター 織田裕久氏にその仕組みや成果を聞いた。

きぼう実験棟で12種類のミッションが進行中

　ISSにおける⻑期滞在ミッションは、ISSに搭乗する宇宙⾶⾏⼠と、地上の運⽤管制官や宇宙実験担当者との連携によって実施されている。その中で日本が開発を担当した実験モジュールの「きぼう」はISS内で最大の大きさを誇り、地上のJAXA筑波宇宙センターによって24時間365日体制で運用されている。

　「きぼう」では現在、「有人宇宙技術の獲得」「科学利用」「民間利用」「国際協力・人材育成」を目的とした複数の実験が行われている。それらは、地上での事前の綿密な計画のもと、宇宙飛行士の作業時間や各国間でのリソース分配、トラブル対応などが地上からの分刻みの調整の下で進められている。

　今回の古川氏のISS滞在においては、「きぼう」で行う12種類のミッションが発表されている。それらの多くのミッション・実験は1度で完結するものではなく、地上のJAXAスタッフや研究者たち、古川氏のほかにも若田光一氏をはじめとする歴代の宇宙飛行士たちがバトンを繋ぎながら実施しているものである。

宇宙で物質を浮かせ3000℃に加熱する

　「静電浮遊炉を使⽤した⾼精度熱物性測定」も、そういった実験の1つだ。2015年に開始され、現在実験を担当するリーダーの織田氏は5年前から本件に携わっているという。まず、静電浮遊炉とはどのようなものなのか。

　「静電浮遊炉は、静電気を使って実験用の試料を浮遊させ、そこにレーザーを当てて試料を溶かす実験装置。地上でも同様の実験は理論上可能だが、重力があるために浮遊させるには約1万ボルト程度の高電圧が必要で、それにより生じる放電によって試料が落下してしまう。宇宙空間であれば無重力に近いため、非常に弱い静電気力で制御し実験することができる」（織田氏）

　静電浮遊炉では試料をレーザーで加熱し、密度や表面張力、粘性を測定するが、微小重力環境では試料を溶かす際に容器を使わずに済むため、最大3000ºCという高温まで加熱することができる。その際、「通常の電気炉とは違い、試料だけにレーザーを当てて熱するので、装置自体や試料の周りはそれほど熱くならない」（織田氏）のだという。

　実験で使われる試料は直径2ｍｍの球状で、それをまず試料を20個格納できる試料ホルダ内に１つずつ挿入する。その試料ホルダを試料カートリッジにはめ込み、その試料カートリッジを静電浮遊炉内に差し込んで1つずつ試料を計測していく。静電浮遊炉には、試料を周りから加熱するための4つのレーザーや位置検知センサー、圧力センサー、温度計、カメラなどが組み込まれている。それらを2015年から2回に分けてロケットに載せてきぼうに運びこみ、宇宙飛行士たちがきぼう内で組み立てて運用を開始。安定運用までは3年ほどかかり、そこから本格的な実験が開始されたという。

　今回のミッションでは同装置を使い、「2000ºC以上の超⾼融点物質の密度、表⾯張⼒、粘性係数といった熱物性計測」と「過冷凝固の測定」を実施し、地上では難しい「新規⾼機能物質の探索」を行う。簡単に表現すると、金属・鉱物などの溶けにくい材料を浮かせて、超高温で溶かしたり冷やして固めたりして、各物質の新しい特質を見つけるというものである。

　「通常、鋳物やガラスなどを作るときには、モノを溶かして固めるというプロセスを踏む。その際の最適な条件を得るためには粘性などの熱物性値を正確に取得する必要があるが、地上ではそれが難しい。実際に『きぼう』での静電浮遊炉の実験によって、鋳造物の従来の推定値が間違っていたことが発覚したケースもある。正確な数値を把握することで、地上でのプロセス改善や新材料の開発および開発時のコスト削減が見込める」（織田氏）

実験は地上から遠隔操作–古川氏は試料の設置や装置のメンテナンスを担当

　実はこの実験自体は、地上からの遠隔操作で行われる。試料ホルダへの試料挿入は地上で行い、それを打ち上げてISSに運び、古川氏が試料カートリッジへの試料ホルダ設置や入れ替え作業、静電浮遊炉のガスボトル交換といったマシンのメンテナンス、チャンバ内の清掃などを担当するという役割分担となっている。

　「試料ホルダを設置してからは、宇宙飛行士が起きていると作業中に加速度の乱れが生じて実験の妨げになってしまうため、実験は古川さんたちが寝ている間にしている。日本の日勤帯は宇宙飛行士が寝ている時間なのでちょうどよく、1日に3個の試料の実験ができる」（織田氏）

　同ミッションは先述した4つの中で科学利用および民間利用のカテゴリに位置づけられており、古川氏のISS⻑期滞在中には、大学などとの共同研究とNASAから依頼された実験、さらに企業から委託された有償の実験を複数回実施する予定となっている。

　「つくばのJAXA施設内に静電浮遊炉を遠隔運用する部屋があり、そこにJAXAの担当者と共同研究をする外部の研究者が集まって、現在週に2回ほど実験をしている。ISSでの実験は地上からコマンド指令を出しているが、間違ってはいけないので、1つのコマンドを打つ際も、打つ人とチェックする人がいて、慎重に進める。試料の打ち上げはおおよそ3カ月に1回、『きぼう』内での試料ホルダ交換は1ヵ月に1度行い、それを繰り返す形」（織田氏）

　またJAXAには宇宙に運ぶ荷物を保管するクリーンルームが設置されていて、部屋の一角に故障時の予備部品の意味合いも兼ねて、「きぼう」に設置されているものと同じ機器が置かれている。「そこで打ち上げ前の機器類の最終確認や取り付け作業マニュアルの作成、制御ソフトウェアを軌道上に送って書き換える際の動作確認などを行う」（織田氏）

民間が実験する際の料金は「57万円」

　これまでの実験の成果の一例として、学術系では物質・材料研究機構（NIMS）、琉球大学、京都大学、ノルウェー科学技術大学、弘前大学、函館工業高等専門学校、東北大学金属材料研究所、エイ・イー・エス、高輝度光科学研究センター、理化学研究所およびJAXAからなる国際共同研究チームが、2500ºCを超える領域の⾼温液体（酸化エルビウム液体）の物性測定に成功し、ガラスにならない液体とされてきた酸化エルビウム液体の従来の定説を覆す液体構造を発⾒。これにより、スマートフォンなどで活用できる機能性を持った新しいガラスや超高温耐熱セラミックスなど革新的材料の開発につながる可能性が開けたとのこと。

　民間の有償利用のケースでは、発表可能なものではAGCが次世代パワー半導体材料研究の一環として応募し、酸化ガリウムの融液物性測定に世界で初めて成功するという成果を得られているという。

　現在はアカデミックでの基礎研究段階の活用が中心だが、これからJAXAでは、国際宇宙ステーション運用の民間移行の流れも踏まえて、静電浮遊炉の応用研究・民間利用の枠を広げていくことを考えているという。民間利用時の利用料金も決して高額ではなく、現在試料3つ1セットの1実験あたり57万円で利用できる。宇宙空間で実験できる希少性のみならず、打ち上げ／回収コストや宇宙飛行士の作業費用などを考えるとむしろ利用しやすい価格だが、一方で、まだ取り組みの認知度が低いという課題があると織田氏は明かす。

　「専門性の高さもさることながら、そもそも高温の熱物性を測りたいという人は限られる中で、われわれの活動が周知されていないために『JAXAに相談しよう』となりにくい。さらに応募してお金を払えば何でも実験できるわけではなく、宇宙に打ち上げるまでにJAXAで事前テストを行い、高温で蒸発しないなどの条件をクリアする必要があるため、実際に有償で利用されるのは年間1〜2件というのが現状」（織田氏）

　実は欧州もISS上で浮遊炉を保有しているが、そちらは電磁力を活用したものなので、金属などの導電体しか浮遊させられない。JAXAの静電浮遊炉は「ガラスやセラミックスなど何でも浮かせられる」（織田氏）特長を有し、それが可能な世界唯一の装置となっている。

　「静電浮遊炉を使⽤した⾼精度熱物性測定は難しい実験だが、たくさんの実験をこなして現在は装置も安定し、実験成功率は7割くらいにまで向上している。2023年2月には若田光一宇宙飛行士に高速度カメラを設置してもらい、データの取得性能も向上した。民間の研究者の方で何か使えそうだなと思ったら、JAXAに気軽にお声がけいただきたい」（織田氏）