3Dプリントに基づく高多孔性月面土壌3次元模擬体の小位相角における光散乱特性の研究

出典: MF Precision

深宇宙探査技術の継続的な進歩により、人類の月探査活動は「月の認識」という重要な段階から「認識と利用」へと移行しつつあります。月面土壌研究は、月資源調査の深化、月資源開発と利用の促進、地球外探査能力の向上の基礎と鍵として、世界の主要宇宙大国が競い合う戦略的な科学技術の優位性となっており、国の科学技術の進歩と国際的影響力の強化にとって大きな意義を持っている。

月の土壌研究の戦略的意義<br /> 月のアルベド効果とは、位相角が0°に近づくと明るさが著しく増加する現象です。この効果はリモートセンシング技術の研究にとって非常に重要なので、惑星の月の土壌の双方向反射率の特性を深く理解することが不可欠です。近年、月のアルベド効果は主に影による遮蔽によって引き起こされると考えられてきましたが、最近の研究では、この現象の主な原因はコヒーレント後方散乱であることが示されており、これは、位相角がゼロに近いときに月の土壌サンプルの反射率の円偏光率が増加するという結論に基づいています。さらに分析を進めると、コヒーレント後方散乱は重要だが、影も大きな役割を果たしていることが判明した。したがって、月の土壌を研究することで、月のアルベド効果をより深く理解できる。

△写真は月のクレーターティコより
月の上の粒状層である月の土壌には、月の形成と進化の年齢、月の火山活動、月の地殻とマントルの物質構成、水と揮発性物質の分布と供給源、月の磁場の進化、月の表面の宇宙風化、隕石衝突の歴史、月の資源など、月の形成と進化に関する多くの重要な情報が記録されています。月の土壌の特性を調べる一般的な方法は、月の土壌からの散乱光と光源の明るさの比率を表す反射率を測定することです。その値は位相角（つまり、光源、ターゲット、検出器の間の角度）に応じて変化します。

月の土壌構造は、塔状または城状の堆積形態をしており、平均粒径が60～80μmで多孔性が高い未固結粒子を主成分としており、「仙城構造」と呼ばれています。妖精城構造の粒子は低重力下では結合が弱いため、宇宙飛行士の活動やロケットの排気によって簡単に破壊されてしまいます。したがって、地球上でシミュレートされた月の低重力条件下で妖精の城の構造を準備することは、粒状材料の圧縮を避け、構造の完全性を維持しながら、非常に困難な作業です。

3Dプリントで月の土壌の細孔を正確に再現 妖精要塞構造は月のアルベド効果と密接な関係があるが、地球の重力の影響により、実験室でこの構造を再現して月の妖精要塞構造の物理的特性を研究することは特に困難である。韓国天文宇宙科学研究院（KASI）は、3Dプリント用に月の妖精の要塞構造のモデルを設計した。このモデルは多孔性が高く、樹木のような形状に簡略化されており、その表面の多孔構造は樹木の数、幹の最大長さ、枝の最大角度によって表されます。この研究結果は、「小さな位相角での月のレゴリスの高多孔性3Dシミュラントからの光散乱」というタイトルでJGR Planetsに掲載されました。

「妖精城構造」は、月の土粒子を塔状に積み重ねた構造ですが、技術的な制限により、この構造を再現するのは非常に困難です。バインダージェッティングやレーザー溶融などの印刷技術は実証されていますが、依然として機械的特性が不十分で、多孔性が高く、表面品質が悪いという問題があります。この研究では、Mofangの精密表面投影マイクロステレオリソグラフィー（PμSL）3D印刷技術を使用し、複雑な構造の設計と製造、機械的特性と印刷精度の向上、実験中のサンプルへの損傷や干渉の低減などの利点を活用しました。

研究チームはまず、3本の六角柱が接続された樹木のような構造モデルを設計した。そのうち1本は幹を、他の2本は互いに接続された枝をシミュレートした。幹と枝の幾何学的パラメータは、月の土壌粒子のランダムな配置をシミュレートするためにランダムに設定されています。チームはBMFの高精度ブラックHTL樹脂を選択し、microArch® S240（精度：10μm）3Dプリント装置を使用して妖精の城の構造シミュレーション（図1）を作成することに成功しました。

△図1. 妖精の城構造を簡略化したサンプル構造の模式図と3Dモデル（左）。3Dプリントしたサンプルの例（右）。
続いて研究チームは、1.4°～5.0°の小さな位相角範囲で妖精城構造シミュレータの反射率を測定した。サンプルの多孔度と反射率S(α)の接線勾配を分析すると、S(α)はアルベド効果の強度を反映します。この研究では、結果を月の観測データと比較し、多孔質サンプルのS(α)値が大きいことも判明した。この研究では、枝の長さと付着角度の影響は小さいものでした。 0.78～0.82の多孔度を持つサンプルは、月の観測データのS(α)値に似ており、月の土壌の平均多孔度に相当します。全体的に、この研究では多孔性とアルベドの間に相関関係がある可能性があることが判明し、月のアルベド効果を調査するための新しい研究アプローチがもたらされました。

△図2.実験装置の模式図（左）と実際の外観（右）。レーザーとカメラは、位相角範囲が 0° ～ 10° となる円弧構成のトラック上に配置されており、サンプルはトラックから 293.5 cm 離れた場所に配置されていました。レーザーのパワーを制御してビームサイズを拡大するために、2 つの減光フィルターとビームエクスパンダーがレーザーとサンプルの間に配置されました。
この研究のデータ処理の順序は、前処理、結合する画像フレームの数の決定、画像の結合、および絞り測光の順でした。まず、研究チームは積分球を使用してフラットフィールド画像を撮影し、マスターフラットフィールド画像を生成しました。実験中は、カメラの温度を 5 °C に維持しながら、暗い画像を継続的に撮影しました。

△図3. 合成したサンプル画像の例。この画像のターゲットは、位相角 1.4° で取得された 70-20-1.0 サンプルです。この画像は、1 回転に相当する 150 フレームを組み合わせて生成されました。画像の x 軸と y 軸は、2500 × 1150 ピクセルの画像のピクセル座標を表します。図の右側のカラーバーは、ADU 内のピクセル数を示します。緑の円、白い四角形、破線の環状部は、それぞれ測光アパーチャ (半径 35 ピクセル)、サンプルの実際のサイズ、内側と外側の空の環状部を表します。
アルベド効果は、月の土壌微細構造の複数の特性間の相互作用から生じます。この研究では、3D プリント技術を使用して、月の土壌模擬物の多孔性を正確に制御し、アルベド効果に影響を与える変数を減らしました。この高多孔性構造により、特に短いサンプルでは光が深く浸透し、複数回反射することが可能になります (lmax = 1.0)。図4～7はこの傾向を示しており、短く多孔性の高いサンプルでは反射率が高く、S(α)の勾配が急になっています。図 4 ～ 6 は、ほとんどのサンプルが典型的な位相曲線に従っており、位相角が減少するにつれて反射率が増加することを示しています。

△ 図4. 比較的密度の高い（n=80）サンプルから小さな位相角で得られた反射位相曲線。
△図5. 中程度の多孔度サンプル（n=70）の小位相角における反射率位相曲線。
△図6.高多孔度サンプル（n=60）の小位相角における反射率位相曲線。
△図7. 対数スケールで表したサンプル多孔度の位相曲線（S(α)）の傾き。青、緑、黄色のシンボルは、それぞれ位相角 0.1、3.0、5.0° での接線勾配に対応します。
概要：本研究では、MMF精密3Dプリント技術を使用して、簡略化された妖精の城の構造モデルを作成しました。木の数、最大幹長、最大枝角を変更することで、小さな位相角（0°〜5°）でのアルベドの変化を分析し、模擬体を使用して位相曲線を再現することに成功しました。結果は、位相角がゼロに近い場合、特に木が少なく枝が短いサンプルの場合、サンプルのアルベドが増加することを示しています。最大枝角はアルベドに大きな影響を与えません。サンプルの多孔度が0.78～0.82の範囲にある場合、S(α)値は月の玄武岩や高地の値に近くなり、月の土壌アルベド現象の研究に新たな道が開かれます。

オリジナルリンク: https://doi.org/10.1029/2024JE008406

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