極低温でも高効率に放熱する「メタマテリアルラジエータ」を開発

－宇宙機の熱設計に新たな指針－

2025年11月07日 金曜日 研究成果
本学工学部工学科機械システムプログラムの櫻井篤准教授、宇宙航空研究開発機構（JAXA）の太刀川純孝主任研究員、東京理科大学先進工学部物理工学科齋藤智彦教授らの研究グループは、極低温環境においても高い放射性能を維持できる新型「メタマテリアルラジエータ」（注1）（注2）の開発に成功しました。本研究成果は、2025年10月21日、熱工学分野の国際的トップジャーナル「Applied Thermal Engineering（Elsevier）」に掲載されました。

研究のポイント

極低温の遠赤外域（50–150 µm）で高い放射率（注3）を持つメタマテリアルラジエータを開発した
等価LCモデル（注4）とFDTD法（注5）に基づく設計最適化と、試作・分光測定により実証した
50–100 Kで従来黒色塗料（Z306）を上回る放射率を確認し、宇宙機の熱設計に新指針を提示した

用語説明

（注1）メタマテリアル（Metamaterial）：
自然界には存在しない構造をナノ〜マイクロメートルスケールで人工的に作り出し、光や熱などの電磁波を自在に制御できる新しい材料。金属と誘電体を周期的に配置することで、特定の波長域で吸収や反射特性を任意に設計できる。
（注2）ラジエータ（Radiator）：
熱を電磁波（赤外線）として外部へ放出する構造体。宇宙空間のように熱の伝導や対流が起きにくい環境では、ラジエータが唯一の放熱手段となる。本研究では、極低温下でも高効率に赤外線を放出できる「メタマテリアルラジエータ」を開発した。
（注3）放射率（Emissivity）：
物体がどれだけ効率よく熱を赤外線として放出できるかを示す値。完全放射体（理想的な黒体）の放射率を1とし、実際の材料の放射率は0～1の範囲で表される。値が高いほど、熱を効率的に宇宙空間へ放出できる。本研究で開発したメタマテリアルラジエータは、従来の黒色塗料（Z306）よりも高い放射率を示した。
（注4）等価LC回路モデル（Equivalent LC Circuit Model）：
金属と誘電体からなる微細構造を、電気回路におけるインダクタンス（L）とキャパシタンス（C）の組み合わせとして近似し、電磁共鳴の特性を理論的に解析する手法。構造の寸法や層の厚みを変えることで、放射特性を精密に制御できる。
（注5）FDTD法（Finite-Difference Time-Domain Method）：
時間と空間を離散化し、マクスウェル方程式を数値的に解くことで電磁波の挙動を解析する手法。複雑なナノ構造における光や赤外線の反射・透過・吸収の分布を高精度に計算できる。

研究内容の詳細

極低温でも高効率に放熱する「メタマテリアルラジエータ」を開発－宇宙機の熱設計に新たな指針－（PDF：1MB）

論文情報

【掲載誌】Applied Thermal Engineering（Elsevier）
【論文タイトル】Design and Characterization of Cryogenic Metamaterial Radiators for Spacecraft Applications
【著者】Masashi Higashiura, Sumitaka Tachikawa, Tomohiko Saitoh, Atsushi Sakurai
【doi】10.1016/j.applthermaleng.2025.128743

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