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嫦娥5号が持ち帰った月試料の大きさと形状を測定するベターサイザーS3 Plus

2021-12-09News

2020年12月17日、嫦娥5号は月のサンプルを携えて無事に着陸した。ミッションは成功裏に終了し、合計1731グラムの月の岩石と土壌のサンプルを持ち帰った。

Figure 1. On-site camera images of the sampling site of the Chang’E-5 mission before and after digging

図1.Chang'E-5 ミッションのサンプル採取地点の掘削前後の現場カメラ画像

2021年7月12日、中国宇宙技術研究院銭雪仙研究室は、国家宇宙局から発行された最初の月サンプルを入手し、サンプルの大きさ、形態、成分に関する研究を行った。2021年10月19日、中国科学院は嫦娥5号月科学研究サンプルの研究成果を発表し、この研究は中国の科学者が独自に主導した。 Bettersizer S3 Plusレーザー粒度分布測定機が主な分析設備として使用され、順調に任務を完了した。

Figure 2. The release conference of the first batch of lunar scientific research samples

図2.月科学研究サンプル第一陣の放出会議

Figure 3. Bettersizer S3 Plus laser particle size and shape analyzer

図3.Bettersizer S3 Plusレーザー粒度分布測定装置

月の土壌の物理的・化学的性質の研究は、月の探査や月資源の利用にとって非常に大きな意義がある。月の土壌の粒径と分布を検出することは、人類が月を理解する上で大いに役立ちます。粒子が凝集しているかどうかは月の水資源の存在を反映し、分布の結果は太陽風の噴射、気象学的または微小気象学的な衝突、風化など月の自然現象を推測するのにも利用できる。月の土壌の粒の形や大きさの情報をさまざまな場所で測定することで、月の地形が異なる原因を調べることができる。銭雪仙氏の研究室では、Bettersizer S3 Plusを使って試料の粒子形状と粒度分布を測定した。Bettersizer S3 Plusは、レーザー回折と動的画像解析を組み合わせたものです。両技術は互いに補完し合うことで、分析範囲を拡大し、ミリメートル、マイクロメートル、さらにはナノメートルの試料の粒子径の正確な測定を実現し、さらに研究者は粒子の形状をよく知ることができる。

「CE-5 LRの粒度分布と形状分布は、Bettersizer S3 Plusレーザー回折計とイメージアナライザーを組み合わせて測定した。波長532nmのレーザー回折計は、0.01～3500μmの粒子径を分析できた。粒子画像は2～3500μmの範囲で記録・分析された。

$Figure 4. Laser diffraction + dynamic imaging two-in-one system (Bettersize patented technology)$

図4.レーザー回折＋ダイナミックイメージングのツーインワンシステム（ベターサイズ特許技術）

実験によると、月の土壌の粒度分布は幅広く、小粒子は0.31μm、大粒子は515.70μmに達する。粒子径の累積分布図によると、土壌分析で一般的に使用される典型的な粒子径の値：D10、D30、D50、D60は、4.75±0.39μm、24.34±0.91μm、55.24±0.96μm、71.87±0.89μmである。月土壌試料の粒径分布は、粒径の度数分布図から広い粒径分布が観察され、粒径分布は連続した形状であることがわかる。また、Bettersizer S3 Plusに搭載された高速CCDカメラで撮影した画像からは、月土壌の粒子は平均円形度が0.875と均一な形状をしており、この値よりも円形度が小さい粒子は全体の10％程度であることがわかる。

この結果は、アポロ計画で持ち帰られた月土壌サンプルのこれまでの測定結果とは異なる。その理由は分類方法にあり、アポロの月土壌サンプルは品質に基づいてふるいにかける方法を採用していた。2008年から2010年にかけて、アポロの月土壌サンプルを再度レーザー法で分析した結果、中間径は66.47～30.05μmとなり、ベターサイザーS3 Plusの結果に近づきました。Bettersizer S3 Plusは、試料への分散効果が強く、スクリーニング法で起こりうる凝集現象を回避し、貴重な試料に損傷や損失を与えることがなく、より直感的で信頼性の高い結果を得ることができます。

Figure 5. Particle shape and size distributions of the lunar sample CE5C0400.

図5.月試料CE5C0400の粒子形状と粒度分布。(a)レーザー回折による個々の粒子の代表画像、(b)15.0～438.2 µmの円形度分布、(c)体積パーセント分布、(d)レーザー回折による累積体積プロファイル。

表1 Chang'E-5ミッションで回収された月サンプルCE5C0400の基本物性値

Table 1 Basic physical properties of lunar sample CE5C0400 returned by the Chang’E-5 mission

Bettersizer S3 Plusは他にも月土壌研究に多くの優れた貢献をしており、そのレーザーと画像を組み合わせた技術は実験室での研究を支援しています。銭雪仙氏の研究室では、模擬月土を使用して装置の精度を検証した。粒子形状と粒子径の実験結果は正確で信頼できるものであり、同装置が提供する分析結果は大いに参考になる。そのため、銭雪仙氏の研究室では、実際の貴重な月土壌サンプルのサイズと形態を研究するために、引き続きBettersize測定器を選択している。

地球の反対側では、ドイツのミュンヘン大学の環境・地球科学研究所も月の土壌分析と研究にBettersize装置を使用しています。ベターサイザーS3 Plusの結果も研究室から高い評価を受けました。

Figure 6. The Bettersizer S3 Plus currently in service at the Institute of Environment and Earth at the University of Munich, Germany

図6.ドイツのミュンヘン大学環境・地球科学研究所で現在使用されているBettersizer S3 Plus

多くの国際的な最先端科学研究プロジェクトが、プロジェクト研究や希少サンプルの分析にBettersizer S3 Plusレーザー粒度分布計を使用しました。ベータサイズ・インスツルメンツ社は、今後も技術を向上させ、優れた製品品質で国内外の航空宇宙産業をより高いレベルへと導いていきます。

嫦娥5号ミッションの詳細については、こちらをご覧ください： https://bit.ly/3oF00YE
Bettersizer S3 Plusの詳細については、こちらをご覧ください：https://bit.ly/3rQiHeb

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