マイクロ波の微細構造と機械的性質

Scientific Reports volume 13、記事番号: 1804 (2023) この記事を引用

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月面での人類の持続可能な存在を達成するには、建設と資源採掘に地元資源を利用する技術（別名現場資源利用またはISRU）を開発することが重要です。 この研究では、大気圧で行われた以前の研究と比較して、月の表面環境をシミュレートするために、真空条件下での2つの月の土壌模擬物質（JSC-1AおよびOPRH3N）のマイクロ波加熱の実行可能性を調査します。 すべての模擬サンプルは、特注の 2.45 GHz マイクロ波装置で、1000 W、600 W、250 W の 3 つの入力電力を使用して熱処理されます。マイクロ波処理されたサンプルの微細構造と機械的特性は、潜在的な用途を特定するために分析されます。 私たちの主な発見は次のとおりです。(i) 入力電力が高いと、同じ総エネルギー入力にもかかわらず、より短い製造時間でより高い機械的強度とより高い収率を備えた材料が生成されます。 (ii) 真空下でマイクロ波処理したサンプルの微細構造は、小胞/気泡が広範囲に存在するため、大気条件下での微細構造とは大きく異なります。 (iii) 異なる入力電力によって生じる異なる加熱速度は、特定の ISRU 目的に利用できます。つまり、地球外建設には高い入力電力、資源抽出には低い入力電力です。 この研究の結果は、月面 ISRU 実証ミッション用のマイクロ波加熱ペイロードの開発に重要な意味を持ちます。

ヨーロッパの宇宙探査戦略の一環として、欧州宇宙機関 (ESA) 理事会は 2016 年に欧州探査エンベロープ プログラム (E3P) を創設しました。このプログラムは現在、「新世界」を意味する Terrae Novae と呼ばれています。 Terrae Novae 2030+ は、ESA の 3 つの探査目的地、地球低軌道 (LEO)、月、火星を含む探査戦略です。 月と火星の環境では、生息地の建設と資源採掘が、月と火星に人類が存在するための戦略的ロードマップの 5 つの重要な要素のうちの 2 つと考えられています。 このような月面の建設プロセスで使用される可能性が最も高い主要テクノロジーは、ロボット 3D プリンティング プラットフォーム 1 です。これは、複雑でなく自律的な操作が可能なため、焼結/溶融した月の土壌を建設材料として利用します。 マイクロ波プロセス固有の体積加熱の効率により、マイクロ波焼結/溶融は 3D プリンティング プラットフォームの実行可能な製造方法と考えられています。 1、2、3 で説明したように、この技術はレーザー焼結と比較して約 23% のエネルギーを必要とし、製造時間を短縮します。

この論文は、月の馬の土壌模擬物質 JSC-1A と月の高地土壌の模擬物質 OPRH3N に対する一連のマイクロ波加熱実験の結果について報告します。 両方の模擬体は、月の環境を模倣するために、真空条件（10-4 Pa）下でマイクロ波加熱にさらされました。 この研究は、大気条件下で行われた以前の実験に基づいています3。 サンプルは、3 で説明したのと同じ特注の 2.45 GHz マイクロ波装置を使用し、1000 W、600 W、および 250 W の入力電力を使用して溶解しました。 目的は、他のすべての実験パラメーターを前の実験と同じに保ち、焼結/溶融サンプルの微細構造と機械的強度が真空によってどのような影響を受けるかを調査することです。

この研究で得られた知見は、現在英国宇宙庁（UKSA）と欧州宇宙機関（ESA）によって支援されているマイクロ波加熱ペイロードの開発に使用され、現場資源利用（ISRU）実証機の一部となる可能性がある。 3D プリンティング技術を使用した加熱ベースの資源採掘と生息地の構築のミッション。 より具体的には、この研究の結果は、3D プリンティングのための月の土壌のマイクロ波焼結/溶解のための最適な入力電力の決定に貢献します。 土壌から酸素、水、鉄などの月資源を抽出するための最小入力電力。