キレイな材料をつくりたい！

TVで宇宙飛行士が空中に丸い水の玉を浮かべている映像を一度は見たことがあると思います。そのイメージに限りなく近い装置が浮遊炉です。浮遊炉は、国際宇宙ステーション（ISS）の「きぼう」日本実験棟の無重量環境を利用して、ガラスなどの材料を浮かせた状態で溶かしたり、また固めたりすることができる材料実験装置です。

なぜ浮かせた状態で実験をする必要があるのでしょう？　地上でガラスをつくるには、材料の物質を混ぜた後、それをルツボと呼ばれる容器に入れ、ルツボごと加熱して溶かし、冷やして固めます。高温でガラスの材料を溶かしているとき、ルツボをつくっている物質が、ごくわずかですがガラスの材料に混ざってしまいます。つまり、容器から不純物が入ってしまうのです。

容器のルツボから不純物が入るなら、容器を使わなければよい。つまり、材料を空中に浮かせたまま、周囲から加熱して溶かせばよい。まさに無重力ならではの製造方法なのです。この方法によって、これまでにない純粋な結晶を生成することが期待されています。

静電気で金属を浮かす

宇宙で材料を浮かし加熱するなんて重力がないのだから簡単だと思うかもしれません。しかし、実際に浮かせようと考えると様々な問題が宇宙では発生します。

うまく材料が空中に飛び出しても、重力が全く無く、なにも材料を動かす力が無い場合はふわふわと空中に止まっているのですが、実際は宇宙でも少し重力があります。しかも宇宙飛行士が動いたり、スペースシャトルがドッキングしたりすると色々な方向に力がかかります。うまく材料を空中でコントロールしないとすぐにはるかかなたに飛んで行ってしまいます。これでは全然実験になりません。この状況の中、実験を成功させるために様々な技術が開発されています。

静電浮遊の原理

静電気による物体浮遊

静電浮遊炉はその名前にも使われていますが、静電気を使って物を浮かせます。この方法は、材料を電気が帯びた状態にします。この状態で電圧をかけると物はクーロン力という力を発生し、反発するようになります。静電浮遊炉はこの電気的な反発力を使って物を浮かせています。この方法を用いることによって金属のみならず、セラミックやガラス等、はては水まで幅広い材質を浮遊させることができます。例えば、空中に浮かんだ水槽を作ることもできてしまいます。

高速フィードバックによる空中制御

ただ浮かせただけではどこかに飛んでいってしまいます。そこで静電浮遊炉は、浮遊位置をセンサーで検出し、その位置信号を上下の電極電圧へ高速でフィードバックさせることによりコントロールしています。つまり、材料が右に動いたらその情報をすぐに電極に渡して左に動かすように力をコントロールします。

この方法により材料を好きな位置に移動して止めることもできます。また、レーザーをあてる位置を中心からずらすことで、材料を回転させることも可能です。

レーザーによって材料を溶かす

浮いた状態の材料に向けて、独立したコントロールができる複数のレーザーを照射することで材料を加熱することが可能です。そして材料が溶ける様子や再度結晶化する様子を周辺に装備されている放射温度計及びCCDカメラというような機器を使って観察することができます。