大西卓哉宇宙飛行士、宇宙実験を学ぶ 4　東北大学 大川采久助教

大西：コーティングに亀裂や気泡が入ることが望ましくないのは、水蒸気がそこから通るからですか。

大川：そうです。あと、外部から衝撃が加わったときに、欠陥があると強度が低下してしまうので、亀裂や気泡などの欠陥がない方が望ましいという理由もあります。

大西：どうして「きぼう」のELFを使おうと思ったのですか。

大川：私はもともとEBCの亀裂修復について研究していました。ELFの宇宙実験の募集要項を見ていたら、「溶射」という言葉が入っていることに気がついて、何らかの実験ができるかもしれないと検討しはじめたのがきっかけです。
溶射では溶かしたEBCは基板に吹きつけるようにしてコーティングします。このとき、溶けたEBCの粒が潰れるように基板の上に重なっていきます。この粒の潰れ具合が熱物性と強く相関があるのではないかと考えています。

大西：それを宇宙実験で確かめるのですね。

大川：はい。タービンブレードのコーティング材料は、かなり過酷な環境で使われることが多いため、融点がかなり高いものが使われます。今回の希土類ケイ酸塩も融点が2,000℃前後になります。そのため、熱物性のデータがありません。
現在、航空機で使用されているタービンブレードは、金属の上に遮熱コーティングを施していますが、これも融点が2,600℃程度のため、熱物性がよくわかっていません。EBCにおいて、熱物性とコーティングの相関関係はまだ良くわかっていないのが現状です。

大川：熱物性とコーティングの緻密さに相関があれば、例えば、元素を変えることで粘性などの物性を制御することで、緻密なコーティングをつくるための設計指針が示せるのではないかと考えています。

大西：元素を変えるということは、もとの材料の組成とは異なるものを加えるということですか。

大川：今回、コーティング材として使うものは希土類ケイ酸塩です。希土類にはたくさんの種類があり、元素を変えるとイオン半径に応じて結晶構造も変わります。希土類のイオン半径や希土類と酸化ケイ素の比を制御すると、液滴のときの粘性がどのように変化するのかを、今回は検証したいと考えています。測定データが実際に溶射したときにできる被膜の緻密さと相関があるのかを検証するのが目的の1つになっています。希土類ケイ酸塩は融点が2,000°Cくらいなので、それよりもやや高い温度域で熱物性を測定できたらと考えています。
様々な研究論文に、コーティング材の結晶構造に応じて熱膨張係数が大きく変わりそうだと報告されています。そして、いろいろな元素を混ぜたとしても、イオン半径が0.885オングストローム（1オングストロームは100億分の1メートル）以下であれば、EBCに適した構造を取りそうだということが報告されており、私達も予備実験で確認しています。予備実験の結果を目安にして、希土類元素の配合を変えた試料をつくっています。

大西：溶射できれいなコーティングをつくれたとしても、その後、また熱処理をします。さらに使用をしている間に、千数百度と常温あたりの温度を何度も往復することになりますが、そのような過程を繰り返すことで、コーティングの構造がぐちゃぐちゃになることはないのですか。

大川：1,400℃までの領域では、構造が大きく動くことは基本的にはありません。どちらかというと亀裂などができる方が懸念されます。

大西：ELFの実験で期待されていることは、ものが溶けた状態の時の密度、表面張力、粘性係数といった熱物性がわかるということですよね。ELFではこれら以外に、熱膨張係数も測るのですか。

大川：熱膨張係数は、基本的にサイズがわかれば計算できます。長さがどれだけ変わるかを温度でプロットしているだけなので、密度とほぼ同じものと考えてください。

大西：うまくいけば、ELFで精度の高いデータが取れる可能性があるということですね。

大川：その通りです。

大西：このような実験データは、ELFでしか取得することができないと考えていいですか。

大川：地上でガス浮遊炉を使って実験することもできますが、下からガスを吹きつけるので、液体の状態で完全な球体にはなりません。熱物性を精密に測定するには、「きぼう」のELFを使うしかありません。

大西：世界的に見て、同じような研究はされているのですか。

大川：コーティングの分野で無容器法関連の報告はありません。まず、誰も取り組んでいないと思います。熱物性データに関しては、そもそも宇宙でしか取れないものなので、敷居がかなり高いのが現状です。