Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

エネルギー全般 / レーザー / プラズマ / 航空宇宙工学

(1)レーザーアブレーションによるアルミナ還元：月レゴリスを模擬した二酸化ケイ素・ケイ素とアルミナの混合粉体のレーザー還元実験が行われた。二酸化ケイ素とアルミナの混合物のアブレーションではアルミニウム生成量は上昇せず、ケイ素とアルミナの混合物ではアルミニウム生成量が上昇することが確認された。還元作用を持つケイ素との混合物でアルミニウム生成量が上昇したことにより、還元剤使用の有用性が示された。また、月レゴリス内の二酸化ケイ素を還元できればアルミナの還元も可能となることが明らかになった。
(2)アルミニウム原子の分離・回収：核生成理論に基づいた温度制御回収板によるアルミニウム回収実験が行われ、タンタル板で1500 Kの条件でアルミニウムの回収に成功した。アルミニウム回収率は2.0%であり先行研究の0.03%より大幅に向上した。タングステン板及びアルミナ板ではアルミニウムは回収されなかったが、これは材料に応じた回収板での表面現象によりアルミニウム回収現象が妨げられたためと考えられ、回収板材料の重要性が明らかになった。
(3)アルミニウム収量向上のための数値シミュレーション：アルミナ堆積層へのアルミナアブレーションプルーム付着の分子動力学計算が行われ、プルームを回収板に当てることでアルミニウム比率が上昇することが確認された。この比率はアルミニウム原子と酸素原子の分子量の差に起因しており、プルーム生成・付着の繰り返しにより比率の向上が可能であることが示された。また、回収板温度が高いほどアルミニウム比率が上昇することが示された。

航空宇宙工学 / エネルギー全般 / プラズマ / レーザー / アルミニウム / エネルギー / 月資源 / アルミ還元

酸化アルミニウム（アルミナ）焼結体のレーザーアブレーションを利用して酸化アルミニウムを還元し、アルミニウムと酸素に分離する技術について研究を行った。まず焼結体表面でのレーザー強度とレーザースポットの面積占有率を最適化し、理論最大アブレーション速度(42 mg/s)を達成した。次にアルミナ・ジルコニア混合物を用いてプルーム過熱限界温度の向上を試みたが、この組み合わせが正の共沸であることが明らかとなり温度は上昇しなかった。最後に、アルミニウムの回収のために焼結体表面に析出するアルミニウムを観察し、析出条件の解析・最適化を検討した結果、回収系の表面温度はアルミニウム融点を上回る必要があると結論した。

提案するアルミ製錬技術が完成すると月面における長期有人活動に道を開くことができる。また水素貯蔵技術・サイクルとしても画期的であり、アルミ燃料輸送の方が液体水素輸送よりも安全で効率的なこともあり、温室化ガスを排出しない航空機や船舶用燃料としても期待でき、月面、宇宙ステーション、地上、極地などにおいて、太陽光と水のみの環境でエネルギーサイクル（エネルギーの備蓄と発生）を構築することもできる。

航空宇宙工学 / エネルギー全般 / プラズマ / 放電 / レーザー / ミリ波 / マイクロ波 / デトネーション / プラズマ・核融合 / エネルギー / ワイヤレス給電

レーザー・ミリ波ビームが誘起する放電現象に関して実験と数値シミュレーションを行った。レーザー放電に関しては、実験により局所的なレーザー強度と放電進展速度に一意な相関があることが明確に示され、１次元シミュレーションとの比較からは、レーザー強度分布の２次元性の影響が強く示唆された。ミリ波放電に関しては、微細プラズマ構造と放電の高速な進展が対となり熱力学的諸量の保存が成立していると結論された。どちらの放電においても、電子温度や密度等の空間分布を実験と解析で詳細に比較できるレベルまで計測技術の向上や物理モデルの改良が進んだ。更に、今後の研究に資すると期待される高出力の大電力ジャイロトロンが完成した。

将来的な高エネルギー電磁ビームの工学的応用を見据えて、実験で観測される放電現象を数値シミュレーションで再現するために実験と数値シミュレーションの双方に必要な知見・課題が得られ、また研究者の広がりとそのネットワークが構築された。その成果として、本領域においては我々の研究活動が世界を圧倒的にリードしている。
また、新設された大気ミリ波放電用ジャイロトロンは、今後のさらなる大気放電デトネーション現象の物理研究と工学的応用研究に資することが期待される。

【研究分担者】
中野正勝	東京都立産業技術高等専門学校	ものづくり工学科	教授	(Kakenデータベース)
松井信	静岡大学	工学部	准教授	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
大西直文	東北大学	工学研究科	教授	(Kakenデータベース)
假家強	筑波大学	数理物質系	准教授	(Kakenデータベース)
白石裕之	大同大学	工学部	教授	(Kakenデータベース)
葛山浩	山口大学	大学院創成科学研究科	准教授	(Kakenデータベース)
坂本慶司	国立研究開発法人量子科学技術研究開発機構	六ヶ所核融合研究所核融合炉材料研究開発部	部長(定常)	(Kakenデータベース)
森浩一	名古屋大学	工学研究科	准教授	(Kakenデータベース)
小田靖久	摂南大学	理工学部	講師	(Kakenデータベース)
今井剛	筑波大学	数理物質系(名誉教授)	名誉教授	(Kakenデータベース)