「Artemis 1」ミッションの成功により、月面探査ミッションが月の埃を除去することが近年注目されている。NASAが10年後に月へ戻る計画「Artemis」が注目されるのは、まだ克服すべき問題が山積しているからでもある。そのうちのいくつかは、ワシントン州立大学（WSU）のチームが開発した技術によって解決されるかも知れない。バナナで釘を打つことができるすべての子供たちのガス、液体窒素を利用するのだ。
今後行われる月探査では、釘を打つのにバナナよりも良い道具が使われることになるだろう（釘があるとしても）。月面の塵が付着した表面を液体窒素で爆破すると、模擬宇宙服に意図的に埋め込まれた塵を最大98％除去できるらしいのだ。
その理由のひとつは、月の塵がほとんどすべてのものに静電的に付着する素晴らしい能力を持っていることに起因する。WSUのプレスリリースでは、その粘着性を包装用のピーナッツに例えているが、長期間さらされると黒肺のような病気になる可能性もあり、健康への影響はもっと深刻であるとしている。
これだけでも、月面基地に設置される可能性のある材料から月の塵を除去する方法を見つけるのに十分な理由となる。しかし、月面の塵は特に研磨性が高く、アポロ宇宙飛行士の宇宙服の部品、特に比較的柔らかくて柔軟なシール部分を劣化させる原因となっている。特に、比較的柔らかく可鍛性のあるシール部分は、呼吸可能なガスを取り入れ、危険な真空状態を保つために重要な役割を果たすため、Artemisミッションの宇宙服が塵によって危険な状態にならないようにすることがより重要なのだ。
しかし、アポロ計画では、この問題を解決するために、宇宙飛行士たちは1960年代にはまだ先進的とさえ考えられていなかった技術、ブラシを使った。ブラシは宇宙服の素材に悪影響を及ぼす可能性があり、実際に塵埃を除去することは不可能だった。そこで、WSUの液体窒素の技術が登場したのだ。
その根底にあるのは、新しい技術ではなく、昔からある技術の新しい使い方だ。液体窒素は何年も前からあるものだが、自分よりもかなり温度の高い宇宙服に適用すると、ライデンフロスト効果と呼ばれる現象が起こる。日常生活では、料理人が熱いフライパンの表面に冷水をかけると見られる現象で、これが最も身近に感じられるだろう。あるいは、火鉢レストランに行ったことがある人ならわかるだろう。温度差によって、液体材料は数珠つなぎになり、できるだけ早く表面から逃げ出そうとする。
しかし、液体窒素が宇宙服の素材に付着すると、月面の塵を包み込み、素材の表面から強制的に剥がし、静電気で固着している塵を液体で完全に包み込んでしまうのだ。研究者たちは、当初の目的を達成した後、それが月でも通用することを証明する必要があった。
そのために最も簡単な方法のひとつが、真空中で行うことだ。その結果、地球上で使用する場合よりも、真空中で使用する場合の方が、スプレーの性能は向上した。しかし、月の重力下で機能するかどうかを検証するためには、まだまだ研究が必要だ。
その作業をサポートするために、WSUの研究者たちは研究をさらに進めるための助成金を申請中で、すでに2022年にNASAのBreakthrough Innovative and Game-changing Idea Challengeで賞を獲得している。このテーマに関する優れた研究は、有効で複雑な流体力学モデル、あるいはスター・ウォーズの引用なしには成り立たないからだ。
論文
- Acta Astronautica: Lunar dust removal and material degradation from liquid nitrogen sprays
参考文献
- Washington State University: Liquid nitrogen spray could clean up stubborn moon dust
研究の要旨
月面のレゴリスは、人間の健康や機器を劣化させるため、月面のミッションではその軽減が最も重要だ。極低温液体スプレーは、最近開発された、月環境におけるダスト軽減のための簡単で便利なコンセプトである。しかし、極低温真空環境下での除去効果や材料の劣化は不明である。アポロ計画で使用された従来の宇宙服のダスト軽減技術（ブラッシングやバキュームなど）は、スーツ生地の摩耗を引き起こし、月での実施を検討するすべてのダスト軽減方法に対処する必要がある。本書では、エアロック真空環境でのダスト除去の有効性と、ダスト除去-洗浄サイクルの繰り返しによる宇宙服素材への影響について報告する。真空チャンバー内で、液体窒素の噴射角度を変えて試料を衝突させた。真空環境の最適条件下で、平均質量除去率98.4%を達成し、10μm以下の粒子の除去率95.9%と相関があることがわかった。材料の劣化を調べるため、合計26個のサンプルについて、周囲条件下でクライオジェンスプレー洗浄を累計233回繰り返した。光学顕微鏡による観察結果を分類するために、劣化の尺度を作成した。劣化の結果、液体窒素の除去による宇宙服素材の磨耗は最小限であることが分かった。さらに、2回洗濯した生地は、その後の洗濯サイクルごとに平均2.66%の除去率の増加が見られ、これはおそらく特定の部位の詰まりと占有が原因であることが分かった。結論として、液体窒素スプレーは、極低温と真空という極端な環境下でも、従来のダスト軽減技術よりも比較的ダメージが少ないことが判明した。
この記事は、ANDY TOMASWICK氏によって執筆され、Universe Todayに掲載されたものを、クリエイティブ・コモンズ・ライセンス（表示4.0 国際）に則り、翻訳・転載したものです。元記事はこちらからお読み頂けます。
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