【研究分野】航空宇宙工学、船舶海洋工学およびその関連分野

【研究領域課題番号】17K18935 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

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

【研究成果の概要】

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。

【研究の社会的意義】

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。

【研究種目】挑戦的研究(萌芽)

【研究期間】2017-06-30 - 2020-03-31

【配分額】6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)

【研究分野】航空宇宙工学

【研究領域課題番号】15H05770 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

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

【研究成果の概要】

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。

【研究の社会的意義】

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。

【研究種目】基盤研究(S)

【研究期間】2015-05-29 - 2020-03-31

【配分額】200,850千円 (直接経費: 154,500千円、間接経費: 46,350千円)

【研究分野】航空宇宙工学

【研究領域課題番号】15H02320 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

エネルギー / レーザー / ミリ波 / 放電 / プラズマ

【研究成果の概要】

高エネルギーのレーザーやミリ波ビームにより誘起される爆轟波を工夫された実験系により純粋な１次元現象に帰し，その計測結果の解析によってレーザーとミリ波の双方の放電・爆轟現象に内在する普遍的な物理モデルを構築することを目的とし，以下の２つの課題について研究を行った．
(1) レーザー放電爆轟波１次元伝播実験装置を構築し，従来の実験で使用していた集光された１ミリメートル径レーザービームを，ほぼ平行な７ミリメートル径ビームに拡大し，壁面による側方膨張制限が有るものと無いもので実験を行った．その結果，ビーム径拡大によって爆轟波伝播速度がおよそ２倍になる一方，壁面制限の有無は伝播速度にほとんど影響を及ぼさないことが分かった．Raiser等の理論では，伝播速度と側面への膨張によるエンタルピー流出の関係を直接的に関連付け定式化していたが，今回の実験結果はこの理論では説明がつかず，新しいレーザー爆轟波伝播理論が必要となることが示唆された．
(2) ミリ波放電爆轟波の詳細なフィラメント構造を撮影し，その特徴的な放電伸展のメカニズムに迫ると共に，詳細な多次元数値シミュレーション結果との比較を行うため，高解像度（４百万画素）の高速シャッターカメラの選定を行った．また放電実験に用いるミリ波発振器ジャイロトロンの基礎設計を開始した．真空管のボア径をできるだけ小さく設計することで超電導マグネットを小型化し，実験室に収まる装置を製作可能であるとの見通しが立った．本基盤研究Ａに続く，基盤研究Ｓでジャイロトロン装置の製作を行う．

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】2015-04-01 - 2016-03-31

【配分額】10,010千円 (直接経費: 7,700千円、間接経費: 2,310千円)

【研究分野】航空宇宙工学

【研究領域課題番号】26630439 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

エネルギー / レーザー / 金属還元 / アブレーション / 放電

【研究成果の概要】

固形アルミナ（円柱ロッド）表面に直接レーザー光を集光し、4400 K（乖離温度）以上に加熱することを試みた。アルゴン１気圧の雰囲気中でアブレーションガスの分光計測を行うと、多くのアルミニウム原子が発光していることが確認され、レーザーアブレーションで還元剤なしにアルミを還元することに成功した。アルミ原子の発光はレーザーパワーとともに強くなり、1 kW出力の場合に比べて、1.5 kWで5倍、2.0 kWで9.4倍の発光が観測された。

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2014-04-01 - 2017-03-31

【配分額】3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)