世界初の宇宙実験で物質の更なる理解に挑む

　現生人類が地上に登場したのは、今から20万〜15万年前といわれている。以降、人類はずっと地上で暮らしてきた。しかし、近年、その状況が変わりつつある。空を見上げると、上空約400kmには国際宇宙ステーション（ISS）が飛行し、人類を代表して宇宙飛行士が暮らしている。ISSは宇宙の実験室としての役割を果たしており、いろいろな実験が実施されている。そして、もうすぐ理学部物理学科の渡邉匡人教授がリーダーを務める実験がおこなわれようとしている。
　渡邉教授たちが挑戦するのは、鉄鋼とスラグと呼ばれる金属酸化物の混合物を溶かして、液滴という球状の液体をつくり、鉄鋼とスラグの界面張力を測定する実験だ。界面というのは、ある物体が別の物体と接しているときの境界面のこと。物体が空気と接している場合は、その物体の界面は表面と呼ばれる。渡邉教授たちは、鉄とスラグの接している界面がどのような物理的な性質を持っているのかを調べたいと考えているのだ。

　タイミングが合えば、金井宇宙飛行士が滞在中に、渡邉教授たちが計画した実験が実施されるだろう。そのとき、金井宇宙飛行士は地上管制官の指示に従って、きぼうで静電浮遊炉の操作を担当することになる。そこで、実験の理解をより深めるために、渡邉教授のレクチャーを受け、実験室を見学した。

　無容器浮遊法であれば、いずれの場合も重力に対抗して試料を浮かせて、地上でも容器を使わずに実験をすることができる。それであれば、わざわざ宇宙で実験しなくてもいいと思う人は多いだろう。金井宇宙飛行士もこのことを疑問に思ったようで、渡邉教授に質問している。それに対し、渡邉教授は「地上で浮遊させると、どうしても重力の影響を受けて液滴の形が真球になりません。ISSの微小重力環境で液滴をつくると真球になるので、振動数が１つに収束します。地上では形が複雑になって、振動数が１つに収束せずに正確な表面張力を求めることができないのです」と答えた。
　また、１つの試料に性質の違う2つの物質が存在する場合、それぞれの物質を適切に組み合わせて実験をすると、ISSでは片方の物質が、もう片方の物質を包みこむような二重の真球の状態をつくることができる。「ロケットを使った実験で、二重の真球となった液体試料を振動させると、収束する振動数は2つになります。この２つの振動数から表面張力だけでなく、界面張力も求めることができます」と渡邉教授は続けた。

　実際、ロケットを使って銅とコバルトの合金を無容器浮遊法で測定すると、銅がコバルトを包みこむ二重の球をつくり、振動数も２つに収束することが確認できた。ただし、銅とコバルトの合金は高温状態だと溶けあい、均一な液体になっている。二重の球となるのは、温度が下がって、銅とコバルトが分離してからだ。この過程で２つの層の量は、時間と共に変化するので、状態が安定しない。しかも、ロケットでの実験では、無重力状態を6分間しかつくることができないので、もともと溶けあっていた銅とコバルトが分離する過程がよくわからない。このような事情があるために、得られた振動数の値が正確であるとは言い切れない状況にある。

　渡邉教授はより正確な振動数を測定するために、鉄と金属酸化物を使う実験を考えた。その理由を、「鉄と金属酸化物は最初から二層に分かれているので、合金のように実験中に二層の量が変わることがありません。液体にしても、割合はずっと同じままです。そのため、とても正確な振動数を測定できる期待が高まります」と説明する。
　鉄と金属酸化物を比べると、鉄の密度が圧倒的に大きいので、地上で実験をすると、どうしても重い鉄が下に沈んでしまう。きれいな試料を溶かしたときに、きれいな二重の球をつくるには、ISSの微小重力環境が不可欠なのだ。この試みは、試料を溶かすことができただけでも世界初となる先進的な取り組みだ。
　鉄と金属酸化物の界面張力の正確な値はこれまでほとんど知られてこなかった。今回の実験で、界面張力の測定方法が確立されれば、人類は新たな知識を得ることとなる。

　金属などが高温で溶けた状態になったものを高温融体という。今回の実験が成功すれば、鉄だけでなく、様々な高温融体の研究へと広がる可能性もある。高温融体は、製鉄や溶接はもちろん、コンピュータやスマートフォンには欠かせないシリコンの単結晶をつくるときにも重要で、ものづくりと密接に関わっている。ISSの静電浮遊炉を利用して様々な高温融体の表面張力、界面張力、粘性などが正確に測定できるようになれば、それらの値から、まったく新しいものづくりの手法が産みだされることだろう。
　レクチャー、実験室の見学を終えて、金井宇宙飛行士は、「静電浮遊炉は、JAXAも大きな期待を抱いて打ち上げた機器です。宇宙飛行士は、ISSで実験機器を操作しますが、あくまでも作業者にすぎません。宇宙飛行士は手順書や管制チームの指示に基づいて確実に作業を進めますが、その状態では教授の考えていた元々の意図が、私たちに届きにくくなっています。研究現場の熱気を肌で感じることで、作業の意味などもよくわかりますし、とても貴重な経験をさせて頂きました」と語った。