宇宙空間の「燃える」にせまる　進化し続ける実験装置・SCEMが拓く新知見＜前編＞

料理やキャンプでの焚き火、さらには乗り物のエンジン…、地上では炎による「燃焼」は、私たちの文明生活に欠かせない存在です。では、宇宙で燃焼が起きるとどうなるのでしょうか？

実は、すでに宇宙でものを燃やすとどうなるか、という研究が国際宇宙ステーション（ISS）「きぼう」日本実験棟の中で進んでいます。地球低軌道の微小重力環境で、炎はどのような姿を見せ、そこから得られる知見は将来の宇宙開発、地上での課題解決にどのように活かされていくのでしょうか。

宇宙での燃焼実験に携わった藤田修先生（北海道大学）、三上真人先生（山口大学）、菊池政雄技術領域主幹（JAXA）に、「きぼう」利用の促進に携わる明石恵実研究開発員（JAXA）がお話を伺った模様を、2回にわたってお届けします。

明石： ISSの「きぼう」日本実験棟は2009年7月に完成し、15年以上が経ちます。重力がほとんどない微小重力環境を利用してさまざまな研究が行われてきましたが、今日は、燃焼分野の宇宙実験の成果とともに、JAXAと研究者の考える地球低軌道（LEO）の未来について、お話を伺います。
まずは、それぞれの研究内容について、ご紹介いただけますか。

藤田：私はもともと、エネルギー問題、特に車や飛行機のエンジン、再生可能エネルギーなどに興味があり、その一環で燃焼の研究を始めました。
北海道大学の近くに、微小重力環境を短時間再現できる落下塔ができたことがきっかけで、微小重力環境での燃焼実験を行ったのですが、そのときに撮影した火炎の写真が想像とまったく違っていて。無重力だとこんなにも地上と違う現象が起こるのかと驚き、そこから微小重力燃焼の研究に没頭するようになりました。

三上：私は学生の頃から微小重力の燃焼研究に携わってきました。今の研究室は「エンジンシステム工学研究室」といって、車、航空機、そしてロケットという3種類のエンジンを対象に基礎燃焼を研究しています。特にディーゼルエンジンについては、実機を研究室で動かして、燃焼・振動・騒音の研究も行っています。
最近は、カーボンニュートラル燃料として注目されている水素やアンモニアの研究にも取り組んでいます。

菊池：私はJAXAの「宇宙環境利用推進センター」で、ISSの「きぼう」日本実験棟で行う物理・化学系実験のチームをまとめています。実は学生時代に燃焼の研究、特に微小重力を使った固体燃焼の研究をしていましたので、バックグラウンドは燃焼です。

明石：本日のテーマは燃焼研究、つまりものが燃える現象を探る研究についてです。ものが燃えるのはとても身近な現象ですが、三上先生、燃焼学とはどんな学問ですか。

三上：燃焼とは、燃料と酸化剤が激しく化学反応を起こし、大きなエネルギーを生み出すことです。
人類の火の利用は約60万年前、自分たちで火をおこし始めたのは3万年くらい前と言われています。古来、火は恐ろしいものと思われていましたが、人類は火をコントロールするようになります。17世紀の外燃機関^※1、18〜19世紀の内燃機関^※2 の発明とともに、燃焼学も発展してきました。

今、燃焼は、化石燃料の枯渇や環境問題、気候変動などネガティブなイメージをもたれることもありますが、だからこそカーボンニュートラル燃料としての水素、アンモニア、バイオ燃料などの研究が進んでおり、新しい燃料に対応した燃焼学を開発しているところです。
まだまだ、わかっていないことがたくさんある分野なのです。

※1　燃料を（機関の）外部で燃焼させて空気や水を加熱し、その膨張・収縮により動力を得る
※2　燃料を（機関の）内部で燃焼させ、その熱エネルギーを直接利用して動力を得る

明石：燃焼という身近な現象にもまだわからないことがあり、研究も盛り上がっているんですね。

明石：燃焼の謎を宇宙で解き明かすために「きぼう」に設置されている実験装置が、「固体燃焼実験装置（SCEM）」です。「燃焼実験といえばSCEM」と覚えていただきたいと思いますが、SCEMの開発を担当されたのが菊池さんです。
装置の検討段階から、「進化し続けるSCEM」がキーワードだったと伺っています。

菊池：私が宇宙の仕事に入った頃、スペースシャトルで使う実験装置は一度使ったらそれきりというものが多く、非常にもったいないと感じていました。
また、コンピュータや電子部品は時間が経つと進歩して性能が上がります。古くなった部分を交換することで、常に最新の状態を維持できる実験装置をISSで実現できればいいなと考えていたのです。そこで、燃焼容器と電気系装置などを分け、必要な部分だけ交換して更新できる設計を目指しました。
試料を収めて燃焼容器の中に入れる「実験インサート」も交換できるようにしています。

明石：実験を行うための固有の機能をもったパーツを実験インサートと呼びますが、これを交換することで、異なる実験を一つの装置でできるようにしたということですね。

菊池：はい。ただ、本当はもっと細かく分けられるようにしたかったのです。しかし、そうすると打ち上げ質量を超えてしまうため、結果的に今の分け方に収まりました。

明石：そんなSCEMで初めて行われた実験が、藤田先生のFLAREプロジェクトです。どのような実験か、概要を教えていただけますか。

藤田：FLAREは「Flammability Limits at Reduced Gravity Experiment」の頭文字で、宇宙船内の火災安全基準をつくることが大きな目的の研究です。
これまで、微小重力環境では自然対流によって酸素の供給がされないので、ものは燃えにくいと考えられていました。そのため、従来は地上で重力以外の条件を宇宙船内と同じように再現し、そこで材料を燃やして、一定以上燃えるものは「宇宙では使用できない」と判定していました。
ところが、最近の研究で微小重力の方が、かえってものが燃えやすくなる場合があることがわかってきました。宇宙船内では宇宙飛行士の呼吸を助けるためにゆっくりとした空気の流れが作られています。こうした条件下では微小重力の方が、燃焼しやすくなることがあるのです。これまでの「宇宙では燃えにくい」という前提条件が崩れてしまったわけです。そこで、重力の有無による燃え方の違いを把握したうえで、微小重力の方が燃えやすくなる場合を含めた安全基準を新たにつくる必要が出てきました。
私と菊池さんがNASAやESAに働きかけ、海外の宇宙機関にも協力してもらうかたちでプロジェクトが始まりました。理論や計算による予測から導き出される基準を国際基準にすることが目標ですが、その基準が正しいかを宇宙実験で検証する必要があったのです。また、NASAがもつ火災安全に関する過去のデータとも比較して信頼性を上げる必要もありました。

明石：FLAREプロジェクトは日本発で新しい火災安全基準をつくる、大規模な国際プロジェクトということですね。

藤田：はい。SCEMは2020年に打ち上げられ、2022年から実験が始まりました。
SCEMの中で濾紙やプラスチック板などの薄い試料を燃やす実験を行いましたが、地上では絶対に見られない、上下完全対称の美しい火炎が観察できました（図1）。ブルーの炎から始まり、下流ではオレンジ色になる。地上では炎が上に立ち上がり、対称性も崩れますが、宇宙では1秒あたり数ミリと、非常にゆっくりと燃え拡がる様子が観察できます。

実験データも、理論予測と実験結果が非常によく合っています。横軸に空気流速、縦軸に酸素濃度をとったグラフ（図2）で、どのくらい低い酸素濃度まで燃えるかの限界が理論で予測でき、実験でもそれが確認できました。この理論が、新しい火災安全基準の予測法として使えることが確認できたわけです。

予想外の発見もありました。空気流速が非常に低いときは、予測よりもっと低い酸素濃度でも試料が燃えたのです。これは予想していなかった結果で、研究者としてワクワクする発見でした。

明石：おおむね理論通りの結果だった一方、予想外のこともあったのですね。そうなると、理論を修正しなくてはいけないのですか。

藤田：理論に関してはそうですね。ただ、火災安全基準で重要となる「材料が燃える最も低い酸素濃度はどの程度か」という点では理論と合っており、そこは私たちが狙っていた結果がだいたい出たといえます。
本来の目的とは別に、宇宙で新しい現象を発見できたことも、燃焼の研究者として非常に嬉しかった点です。

明石：結果を得るまでにはご苦労もあったそうですね。

藤田：宇宙実験でこの結果に至るまで、20年以上かかりました。2002年に国際公募で研究が採択されていたのですが、2003年のスペースシャトル・コロンビア号の事故でNASAが開発中の装置が失われ、NASAも装置開発を中止してしまい、研究手段がなくなってしまったのです。
2003年から2010年は、あてはないけれど、何とかやりたいという気持ちだけで研究をつないでいた、一番苦しい時期でした。2010年にJAXAの公募で再び採択され、2012年に重点テーマに指定されて、やっと動き出しました。
何より、「宇宙実験ができる」と学生さんを集めていたので、そういったプレッシャーもありました。

菊池：多くの学生さんがかかわってくれたのに、実験できないことをずっと重荷に感じていました。2022年に最初の実験映像が降りてきたときは、やっと借金を返せたような気持ちでしたね。

藤田：2022年5月、最初の実験映像を見たときは、本当に飛び上がりたいような気持ちで嬉しかったですね。でも、時間がかかった分、理論的な部分などを細かい点まで詰めることができたのはよかったと思っています。

明石：三上先生は液滴、液体の小さな滴の燃焼研究をされていますが、なぜ液滴の燃え方に注目しているのですか。

三上：液滴燃焼研究は、噴霧燃焼の基礎研究として行われています。噴霧燃焼とは、液体燃料を霧状にしたもの、つまり細かい粒の集合体が一つの炎に包まれる燃焼形態で、ディーゼルエンジンやジェットエンジンで起こる燃焼がこれにあたります。
1950年代、内燃機関の研究者である熊谷清一郎先生が世界に先駆けて微小重力実験で燃料1粒だけの燃焼を研究されました。その後、単一液滴燃焼の研究は進みましたが、実際の噴霧燃焼とは乖離があります。液滴燃焼の知見を何とか噴霧燃焼につなげたい、それが私の大きなモチベーションです（図3）。
2000年頃、菊池さんにお誘いいただいて、液滴列の燃え拡がりの研究を始めました。それを発展させ、より大規模な液滴群の燃え拡がりを研究するアイデアを思いついたのです。

明石：そのための宇宙実験が「Group Combustion（グループコンバッション）」という研究ですね。
液滴群の燃焼にパーコレーションというモデルを応用しようと考えたことが三上先生のオリジナルな点だとお聞きしましたが、その発想はどう生まれたのですか。

三上：パーコレーションとは、ランダムに分散した粒子が局所のつながりのルールをもったとき、全体でどうつながるかを表す理論です。新型コロナウイルスの感染が広がりパンデミックになることや、噂の拡散なども説明できる一般理論で、これを燃焼に応用しました。
実は、パーコレーションモデルを燃焼に使おうと思いついたのは、入院中でした。急に入院することになったのですが、当時は病室にパソコンを持ち込めず、突然無限の時間をもらったような感じがして。いろいろ考えているうちに、「パーコレーションを使った液滴の燃え拡がりモデルが群燃焼の発現予測に使えるのでは」というアイデアが浮かんだのです。

明石：先生はこのアイデアをもとに、2017年にGroup Combustion実験を「きぼう」で実施されました。
これは液滴群燃焼実験供試体（GCEM）という装置を使った、「きぼう」初の燃焼実験だったと聞いています。どんな実験が行われたのですか。

三上：この実験では、ジェット燃料のような性質の燃料を使い、直径1ミリの液滴を最大150個つくって燃やそうと考えました。液滴は、GCEMの中にある直径14マイクロメートルの極細ファイバーの格子に保持されます。
液滴が多ければどんどん燃え拡がりますが、数が少なければ燃えるのは一部だけで、ほかには燃え移りません。燃え移るか移らないかのギリギリのポイントがあるはずです。これをパーコレーションモデルで予測したのです。
全部は燃えないだろうと予測していましたが、見事に全部燃えました。学生さんは頭を抱えていましたが、予想を裏切られて、研究者としてはにんまりしました（笑）。

明石：こういった実験は、地上ではできないのですか。

三上：落下塔を使えば重力の影響はなくせますが、当時あった落下塔で再現できるのは最長数秒程度の微小重力状態ですから、「きぼう」ほど大規模なものはできません。

明石：実験中のご苦労などはありましたか。

三上：苦労したのは、煤の問題でした。地上なら装置の蓋を開けて煤を取り除けますが、宇宙ではそうはいきません。事前に設定していた150の条件を、蓋を開けずにやり切る必要がありました。煤を除去するためにガスジェットの機構をつけていたのですが、煤はびくともせず、煤を焼き切ろうと新たな液滴をつけたら煤が増えてしまいます。これは最後まで解決できない、困った現象でした。

明石：自然熱対流が発生しない、微小重力環境だからこその現象だったということですね。

三上：はい。煤が飛んでいかず、むしろ液滴の中に煤が入ってしまうという現象が起きました。
ですがその後も実験を進め、群燃焼が発生するかどうかの臨界点となる条件を探りました。一番驚いたのは、群燃焼が起きるか起きないかのギリギリで、突然爆発のように一気に燃える「大規模着火」という予想外の現象です。また、一度燃えた領域がまた燃える「再燃焼」も観察されました。どちらも地上では予測されなかった新規の現象です（図4）。

これらを説明する仮説として、目に見えない「冷炎」が起きているのではないかと考えています。我々が目にする炎「熱炎」は1,000ケルビンを超える温度ですが、冷炎は700〜800ケルビンくらいで起こる、異なるメカニズムの燃焼です。
今後実施する予定の「Group Combustion-2」では、SCEMの新しいインサートを使って、冷炎の発生を直接観察することが最大の目的です。また、NASAとの共同研究で、酸素濃度や圧力を変えて冷炎の強度を調べる実験も予定しています。

明石：先生は先ほど、基礎的な液滴燃焼とエンジンの燃焼のように複雑な噴霧燃焼をつなぐのがモチベーションとおっしゃっていましたが、「Group Combustion-2」では、実験データを研究者の皆さんと共有することも目標だそうですね。

三上：はい。次の実験には、理論の研究者だけでなく数値計算の研究者も加わっています。
例えば、ジェットエンジンの中では液体と気体が混ざり合ってさまざまな化学反応が起きています。化学反応は温度に対して非線形で進み、燃料が二酸化炭素と水になるまでにも細かい反応があり、これらを解かないと有害排出物質の予測などができません。しかし、こうした反応をすべて計算に反映することはまだ不可能です。

なので、化学反応のモデルを簡略化したものと数値計算を合わせることで冷炎の反応モデルを検証しようと考え、冷炎の簡略化モデルの理論的な構築を研究しているアメリカの研究者にも参画いただくことにしました。
宇宙実験を通して化学反応のモデルを検証し、そのデータをもとに数値シミュレーションのモデルを改善することが最終的な目標です。

菊池：今後の課題は、宇宙実験の成果を産業界につなげることです。
今までの燃焼実験は研究者の自由な発想で研究することが目的でしたが、燃焼は比較的エンジニアリングに近い立ち位置にあるサイエンスです。エンジンの性能向上や、環境にやさしい次世代技術の開発につなげることが重要です。
アカデミアだけでなく、エンジンを開発する産業界、数値シミュレーションの専門家、化学反応モデルの専門家、そうした人々が一体になって宇宙実験の成果を活用し尽くす。そのための新しいコンソーシアムをつくれるといいなと考えています。