고유 한 비접촉 측정 기술을 사용한 소행성 라이트닝 바카라 샘플의 열 물리학 적 특성 분석

우주선 "Hayabusa 2"는 라이트닝 바카라에서 총 약 54g의 미립자 샘플을 성공적으로 복구했으며, 2020 년 12 월에 우주선 "Hayabusa 2"에서 분리 된 재진입 캡슐이 지구로 돌아 왔습니다 라이트닝 바카라는 C- 유형의 풍부한 물과 유기체의 중수, 그리고 기록적인 부서, 그리고 초기의 부정확 한 결과입니다 모양 등), 수집 된 라이트닝 바카라 입자의 일부는 6 개의 초기 분석 팀에 분포되었으며 2021 년 6 월에 약 1 년의 계획으로다면 분석이 시작되었습니다 이러한 분석은 라이트닝 바카라의 현재 외모의 과정을 설명하고 지구의 원자재, 바다와 생명의 상호 작용과 진화와 같은 태양계 과학의 개발에 기여할 것으로 예상됩니다

라이트닝 바카라의 초기 시절은 지금보다 훨씬 큰 천체였으며, 반복적 인 충돌로 현재 외관이되었다고 생각됩니다 (직경 약 900m) 라이트닝 바카라에서 가져온 샘플의 초기 분석을 수행하는 6 개의 팀 중 Stone Material Analysis 팀 (Project Leader : Tohoku University의 Nakamura Tomoki 교수)은 라이트닝 바카라가 얼마나 형성되고 진화했는지를 설명하는 것을 목표로하는 큰 입자를 목표로하는 큰 입자를 목표로하고, 17 가지의 17 가지가 17 가지의 전체 입자의 관점에서 라이트닝 바카라가 어떻게 형성되고 진화했는지를 설명하는 것을 목표로하는 것을 목표로합니다 샘플 Nagoya University와 AIST는 열 확산 성의 물리적 특성을 만들기위한 "석재 재료 분석 팀"의 구성원입니다특정 열 용량^{참고 5)}를 평가했습니다 열 확산 성과 비열 용량 및 밀도를 결합함으로써 다양한 열 특성을 변환 할 수 있습니다 예를 들어,열전도율^{참고 6)}비열 용량은 라이트닝 바카라의 초기 천체 내부에서 발생할 수있는 화학 반응 및 재료 형성을 시뮬레이션하는 데 사용되는 반면, 열 관성은 라이트닝 바카라의 현재 라이트닝 바카라의 온난화와 차가움의 용이성을 분석하는 데 중요한 가치입니다 열 확산 성 평가를 위해 두 엔진에 제공된 시편은 단지 몇 mm 제곱의 작은 질량이며, 일반적인 측정 기술입니다플래시 메소드^{Note 7)}로 지원할 수 없습니다 또한, 표본은 열 특성의 평가뿐만 아니라 다른 기계적, 전기, 자기 및 조성 분석과 공유되기 때문에, 인공 오염 물질은 측정 중에 피해야합니다 따라서, 몇 mm 제곱으로 비정질 시편의 열 확산 성을 측정하기 위해서는 센서의 처리 또는 설치를 포함하지 않는 기술을 사용해야했습니다

Nagoya University에서 열 확산 성을 측정하는 독특한 방법으로잠금 장치 유형 주기적 난방 방법^{Note 8)}를 개발하고 있습니다 이 기술은 주기적으로 레이저를 사용하여 샘플 표면의 스팟을 조사하고 온도 분포로서 열 측정을 사용하여 샘플의 뒷면으로의 열 전파를 측정하는 것을 포함합니다 시간 응답의 분포는 레이저 가열과 동일한 주파수에서 다른 온도를 선택적으로 추출함으로써 시각화된다 시간 응답 분포를 분석함으로써, 평면 및 두께 방향에서 열 확산 성의 분포를 측정 할 수있다

반면에, AIST는 샘플을 스폿 모양의 레이저 빔으로 정기적으로 조사하고, 매우 민감하고 높은 공간 분해능 INSB 센서를 사용하여 샘플의 뒷면의 적외선 방사선을 측정하여 샘플 뒷면의 적외선 방사선을 정확하게 스캔합니다스팟 사이클 가열 방사선 온도 측정 방법^{Note 9)}를 개발하고 있습니다 이 기술은 신뢰할 수있는 열 확산 성 측정 방법으로 설립되었으며, 일본 산업 표준 (JIS)에 열 소산 흑연 시트를위한 평가 방법으로 통합되었습니다

각 측정 기술은 접촉없이 불규칙한 시편의 열 확산 성을 측정하는 대안이없는 방법이며, 두 엔진 모두 라이트닝 바카라에서 가져온 입자의 열 확산 성을 평가하기로 결정했습니다

라이트닝 바카라에서 가져온 샘플 중 일부는 1mm보다 큽니다 이들 입자의 세 번째로 큰 입자는 열 확산 성 평가에 사용되었다 (도 1, 왼쪽, 이름 C0002 : 타원장 길이 865 mm, 두께 328 mm ~ 512 mm) (이하 "C0002 입자") C0002 입자의 열 확산 성을 평가하기 위해, 약 3mm의 측면을 갖는 삼각형 형상, 929 μm 두께의 시험 조각 (도 1의 오른쪽)을 C0002 입자로부터 절단 하였다 Nagoya University와 AIST는 각각 스팟 사이클 가열 방사선 온도 측정 방법을 사용 하여이 시편의 열 확산 성을 측정했습니다 두 기술 모두 테스트 시편의 중심 근처에서 스팟 형 레이저를 조사하여 주기적으로 열을 적용하고 반대 표면의 온도 변화에 기초하여 열 확산 성을 결정하는 비접촉 측정 기술입니다 Nagoya University는 가열 사이클과 동기화 된 특수 열 사진을 사용하여 시편의 모든 방향에서 열 확산 상태를 평가했습니다 그림 2는 Nagoya University의 결정 주기적 난방 방법의 장치에 대한 개요를 보여줍니다 시편은 높은 진공 챔버의 메쉬 같은 홀더에 놓이고 바닥에서 레이저 빛에 의해 주기적으로 가열된다 레이저는 직경이 약 15 μm 인 시편의 뒷면에 집중되고, 시편은 주기적으로 1Hz의 주파수로 가열된다 이로 인해 시편 내부의 주기적 온도 변화가 발생하며 전파는 열 확산 성에 따라 다릅니다 시편의 표면쪽에 도달 한 온도의 주기적 변화는 매우 민감한 열 사진을 사용하여 측정되었습니다 Thermograph에는 공간 해상도가 높은 GE 렌즈가 장착되어있어 25 μm의 공간 분해능으로 16mm x 12mm 영역 내에서 약 330,000 개의 온도 변화가 분포 될 수 있습니다 이 측정에서, 관찰 위치는 총 16 개의 적외선 이미지를 획득하기 위해 이동되었고, 전체 시편의 온도 변화가 획득되었다 시편 표면의 온도 변화는 주기적이며, 변화의 각 위치에서 지연 (위상)의 분포를 분석함으로써 시편의 전체 둘레에서 열 확산 성의 분포를 계산할 수있다 그림 3은 LOCK-In Thermography 기반 주기적 난방 방법을 사용한 측정 결과를 보여줍니다 시편 표면에서 주기적 온도의 등변 라인의 색상 표현 이 측정에서 결정된 전체 원주 방향의 열 확산 성의 평균값은 35 x 10^-7M²S^-1이제 출시되었습니다

그림 4는 AIST의 스팟 사이클 가열 방사선 온도 측정 방법을 사용한 열 확산 성 측정을 보여줍니다 시편은 6 개의 바늘이있는 높은 진공 챔버에 고정되어 있으며 녹색광 지점은 시편을 가열하기위한 레이저 라이트입니다 레이저는 시편의 표면에 70 μm의 직경으로 농축 된 다음 09Hz의 주파수에서 켜고 끄기 위해 시편의 일부를 주기적으로 가열합니다 이로 인해 위에서 언급 한 자물쇠 고정주기 가열 방법과 유사한 시편 내부의 주기적 온도 변화가 발생합니다 AIST의 방법에서, 시편의 뒷면에 도달 한 온도의 주기적 변화를 측정하기 위해, 높은 공간 분해능 GE 렌즈로 적외선 방사선을 채취 한 다음, 액체 질소로 냉각 된 매우 민감한 INSB 적외선 센서를 사용하여 각 위치에서 약간의 온도 변화를 측정했습니다 시편 뒷면의 온도 변화의 분포는 표본 내의 열 확산 성과 복잡한 외부 모양에 의해 영향을받습니다 따라서, 시편의 모양을 3 차원 방식으로 모델링하고 컴퓨터에서 실험과 유사한 가열 환경을 구성함으로써, 우리는 후면의 온도 변화 시뮬레이션을 수행하고 실험 결과를 재현하는 열 확산 성을 정확하게 결정했습니다 그림 5는 스폿 사이클 가열 방사선 요법 방법을 사용한 측정의 예를 보여줍니다 플롯 포인트는 시편 뒷면에서 측정 된주기적인 온도 변화를 측정하고 기간의 지연 (위상)을 나타내며, 표본을 10 μm마다 대략 이등변 삼각형 모양 인 시편의 정점에 기록합니다 오른쪽의 그림은 3D 모델을 사용하여 온도 시뮬레이션에 의해 계산 된 특정 순간에 테스트 시편의 온도 분포를 보여줍니다 열 확산 성은 30 x 10^-7M²S^-1|가 약 20%의 불확실성이 추정 될 때 가장 잘 재현되었습니다

두 엔진에서 얻은 라이트닝 바카라 C0002 입자의 중간 열 확산 성 32 × 10^-7M²S^-1± 03 × 10^-7M²S^-1, 그리고 두 기관의 결과는 불확실성의 범위 내에서 일관되었다 또한 Nagoya University가 평가 한 비열 용량과 JAXA가 제공하는 밀도를 기반으로 열전도율은 05 W M^-1K^-1, 열 관성은 890 J M^-2S^-0.5​​K^-1요청 이 C0002 입자의 열 관성은 그림 6소형 랜딩 차량 마스코트^{참고 10)}원격 감지에 의해 관찰 된 라이트닝 바카라 표면층의 열 관성보다 3 배 이상 더 큽니다 이 결과는 라이트닝 바카라 표면에 많은 균열, 몇 mm의 균열이 있음을 시사합니다 이는 열 차폐로서 큰 영향을 미칠 수 있습니다

이들 라이트닝 바카라 입자의 열 물리학 적 특성은 시뮬레이션에 사용되어 라이트닝 바카라의 초기 형성과 열 진화 과정을 탐색 할 것이며, 연구는 태양계의 기원을 설명하기 위해 진행될 것으로 예상된다

그림 2, 3, 4 및 5는 T Nakamura, Science, 2022 (doi : 101126/scienceabn8671)의 그림 SS36, S37 및 S38에서 인용 및 수정됩니다

우리는 라이트닝 바카라의 다른 지점에서 얻은 입자의 미세 열 물리학 적 특성 분포를 평가하고 라이트닝 바카라의 구성 입자의 특성을보다 자세히 설명 할 계획입니다

Nagoya University는 또한 다른 입자의 비열 용량을 동시에 평가할 것입니다 AIST는 또한 스팟-기공 가열 방사선 온도 측정이 작은 샘플의 열 확산 성을 측정하는 데 효과적이며 향후 다양한 재료에 적용 할 계획임을 확인했습니다

잡지 이름 :과학
종이 제목 : 탄소 질 소행성 라이트닝 바카라의 형성 및 진화 : 반환 된 샘플의 직접적인 증거
저자 : T Nakamura, et al, 총 221 명 (Nakadai 공무원 : H Nagano, S Watanabe, T Ishizaki (현재 Jaxa), R Fujita, A Abdulkareem, AIST 공무원 : T Yagi, Y Yamashita)
doi : 101126/scienceabn8671

주 1) 라이트닝 바카라

지름이 약 900m 인 소행성, 지구와 화성 사이의 궤도 회전 그것은 표면의 암석에 많은 유기물과 다른 물질을 함유하는 것으로 생각되는 "C- 타입 소행성"중 하나입니다 (C는 탄소 질에서 유래 한 것입니다 이는 탄소 질을 의미합니다)[참조로 돌아 가기]

참고 2) Hayabusa2

Hayabusa 2는 2014 년 12 월 3 일에 Hayabusa의 후계자로서 소행성 샘플을 수집하기위한 목적으로 시작되었습니다 2018 년 6 월 27 일 소행성 라이트닝 바카라에 도착하여 표면에서 샘플을 수집하고 2020 년 12 월에 지구로 돌아 왔습니다[참조로 돌아 가기]

참고 3) 열 확산 성

단위 m²S^-1열 확산 성, 밀도 및 비열 용량의 생성물은 열 전도도입니다[참조로 돌아 가기]

참고 4) 열 관성

단위 J M^-2S^-0.5K^-1그것은 열 침투라고도합니다 두 물질이 접촉되면 물질 사이의 열 에너지 흐름의 용이성을 제어합니다 예를 들어, 동일한 0 ° C의 높은 열 관성 (금속 등)이있는 재료에 노출되면 더 차갑고 저 물질 (목재, 수지 등)에 노출되면 차갑게 느껴지지 않습니다 또한 물질의 열과 감기의 용이성과 관련이 있습니다[참조로 돌아 가기]

주 5) 특정 열 용량

J kg 단위로 단위 온도로 단위 질량의 물질의 온도를 증가시키는 데 필요한 열의 양을 나타내는 물리적 특성 값^-1K^-1[참조로 돌아 가기]

참고 6) 열전도율

W M^-1K^-1[참조로 돌아 가기]

참고 7) 플래시 방법

디스크 모양의 샘플의 한쪽은 시간이 지남에 따라 샘플 내의 열 확산으로 인해 반대쪽의 온도 상승을 측정하기 위해 펄스가 펄스됩니다 이는 주로 고체 재료의 열 확산 성을 측정하기위한 표준 기술로 알려져 있습니다[참조로 돌아 가기]

참고 8) 잠금식 열 화상-유형 주기적 난방 방법

Nagoya University에서 개발 한 비접촉 열 확산 성 측정 기술 특수 열계를 사용한 주기적 가열로 인해 레이저의 온도 응답을 감지합니다 평면의 360도 방향 및 두께 방향의 열 확산 성분 분포는 25 μm의 비접촉 및 높은 공간 해상도로 측정 할 수 있습니다[참조로 돌아 가기]

참고 9) 스팟 사이클 가열 방사선 온도 측정 방법

AIST에 의해 개발 된 비접촉 열 확산 성 측정 기술은 주기적 난방과 레이저 스팟과 적외선 방사선 온도계를 사용한 온도 변화 측정을 결합합니다 특히 시트와 같은 샘플의 평면 내에서 열 확산 성 측정에 탁월하며 일본 산업 표준 인 JIS R 7240에서 열 소산을위한 흑연 시트의 열 확산액을 측정하는 방법으로 사용됩니다[참조로 돌아 가기]

참고 10) 소규모 착륙 항공기 마스코트

"마스코트 (Mobile Asteroid Surface Scout)"는 독일 항공 우주 센터 (DLR)와 프랑스 국립 우주 연구 센터 (CNES)가 개발 한 소규모 착륙 항공기입니다 항공기의 크기는 27cm x 29cm x 19cm이며 무게는 98kg입니다 광각 카메라, 분광 현미경, 열 방사선 계 및 자력계가 장착되어 있으며 주로 과학적 관찰을위한 것입니다 그것은 하야 부사 2에서 분리되어 루구의 남반구쪽에 착륙했습니다 [참조로 돌아 가기]