京都工芸繊維大学 産学公連携推進センター

微粒子プラズマにとって微小重力環境は別世界

より基礎的の視点から微粒子プラズマを眺めた場合、帯電した微粒子は、ある種の原子やイオンのように振る舞い、集合して結晶のような挙動を見せることがあります。このことからクーロン結晶と呼ばれることもあります。しかし、原子からなる通常の結晶と決定的に違うのが、重力の影響です。地球上では、微粒子のサイズが10μmとなると、重力が支配的になり、帯電による面白い振る舞いが打ち消されてしまいます。

宇宙空間であれば、重力の影響をほとんど受けることなく、微粒子プラズマが持つ本来の魅力を追求することができます。そこで、髙橋准教授がマックス・プランク圏外物理研究所に留学していたときの研究者ネットワークを生かし、2009年からは、ドイツ・ロシアの研究グループと一緒に、宇宙ステーションで微粒子プラズマの研究を行っています(図4)。また、国内でも、宇宙航空研究開発機構(JAXA、当時はNASDA)の公募型研究で、無重力下での実験を行っています。急上昇・急降下する飛行機で20秒ほどの微小重力環境を再現することで、2007年、2010～2012年の間に120回を超える測定を行ってきました(図3)。

将来、人類が宇宙に生活圏を広げる際に、生命に必須な水や酸素は、月や火星の砂などからその成分を取り出す必要が出てくることとなるでしょう。また、月の表面には帯電したダストが浮遊していると考えられており、月での活動を考えた場合に、この適切な扱いが必要になると考えられます。その時に基盤技術として、微粒子プラズマが役立つと考えられます。

微粒子プラズマを定量的に計測する

微粒子プラズマは、ミリメートル~センチメートルといった比較的大きな範囲での現象であり、また微粒子そのものも目視できるサイズのものであることから、直観的にわかりやすい現象でありながら、その計測方法はこれまで限られていました。一般に、微粒子プラズマの計測には、レーザー掃引照射によって微粒子を光らせ、CCDで光学的に観測するという手法がとられています。その他にも、定量的な評価のために、イオン密度や電子温度といった物理量を取得できる二本のプローブを用いたダブルプローブ法などを開発しています。