ISSで月や火星の重力を再現、砂の挙動を測定

【2023年8月17日 JAXA宇宙科学研究所】

地球以外の固体天体の表層は、細かい砂（レゴリス）で覆われている。また、地球より小さな天体では、表面の重力も小さくなる。そのため、将来の天体探査では、探査機の着陸脚パッドが砂に埋もれてしまったり探査車が走れなくなってしまったりするおそれがある。こうした影響の度合いを調べておくことは重要だが、微小重力環境における砂のふるまいを地球上で調べるのは難しい。

横浜国立大学の尾崎伸吾さんたちの研究チームは、国際宇宙ステーション（ISS）の「きぼう」日本実験棟に設置されている細胞培養実験装置（CBEF; Cell Biology Experiment Facility）に注目した。CBEFには遠心力によって任意の低重力環境を安定して長時間保つ機能がある。尾崎さんたちは地球上の砂や模擬レゴリスを封入した砂時計型の容器をCBEFに入れて流動特性を調べる「Hourglassミッション」を実施した。

細胞培養実験装置CBEF（提供：JAXA、以下同）

「Hourglassミッション」の名前の由来になった、サンプルを入れる砂時計型の容器

CBEFは0.063Gから2.0Gの重力を作り出せる（地上は1G）。研究チームはこの範囲で、月や火星の地表相当を含む複数の重力環境を再現した。容器に封入する粉粒体としては、月や火星、火星の衛星フォボスのレゴリスを模した砂に加えて、実験でよく使われる地上の砂やアルミナビーズが比較対象用に選ばれた。

実験で使用された8種類の粉粒体

粉粒体を封入した容器は、CBEFで重力を変えながら7時間で420回反転され、その間の挙動と堆積状態が計測された。また、データ分析にあたっては、人工重力環境特有の影響は重力そのものの大きさによる変動と比べれば小さいことを数値シミュレーションで確認してあり、今回の実験が自然重力における粉粒体の重力依存性を十分に再現できていると結論づけている。

分析の結果、粉粒体が砂時計のように狭い排出口から流れ出るときの流量については、地上での研究でよく知られた法則（Beverloo則）が低重力環境でも成り立つことがわかった。また、これまで仮説でしかなかった「砂の種類によっては、低重力条件下での流動速度は重力の大きさの平方根（√G）に比例する」という関係も実証された。そのほか、砂のかさ密度が重力と共に減少することを示唆する結果も得られた。

実験データの分析結果。（a）と（b）は、それぞれ自然重力環境下と人工重力環境（0.1G）下で流動中のアルミナビーズのスナップショット。（c）自然重力と人工重力環境下でのボックス内の粒子速度場のカラーマップ。重力・遠心力方向の速度場（マスフローモードの場合）が環境によらず類似していることなどが明らかになった（提供：Ozaki et al. (2023) npj Microgravity、以下同）

砂の流動速度の重力依存性（回帰解析の結果）

これまでの探査機の設計では、着陸時のレゴリス飛散などへの対策を施す際に、極端なケースも想定して大幅な余裕を持たせる必要があった。今回の研究結果から、不確定要素が減って効率的な設計が可能になり、設計検証の信頼性向上、探査機の軽量化、開発期間の短縮が実現すると期待される。