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北薗 幸一 教授

北薗 幸一 准教授

システムデザイン学部 航空宇宙システム工学コース
北薗 幸一 教授

キーワード:
材料工学, 合金, 料理

新しい材料の開発は、料理に似ている

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ゼロ戦のボディは新しい材料で造られていた!

かつて日本が、スピード、航続距離などで、世界最高水準の飛行機を開発したことがありました。1939(昭和14)年初飛行の零式戦闘機、通称「ゼロ戦」です。飛行機のスピードをあげ、さらに燃費をよくするには、エンジンなどの性能もありますが、何より軽いボディが必要です。そこで軽いアルミニウムが注目されましたが、強度に問題がありました。しかし、銅、マンガン、ケイ素、マグネシウム、亜鉛、クロムなどと混ぜて合金にすることで、高強度化が実現され、アルミニウム合金が新材料としてゼロ戦に使われました。このように、物理学、化学などの知識を融合して新しい材料を開発する分野を「材料工学」と呼びます。

さらに軽いマグネシウム合金

現在、アルミニウム合金は自動車や電車で使われていますが、アルミニウムよりさらに軽いマグネシウムの合金に運輸業界の期待が集まっています。車体をマグネシウム合金に置き換えることができれば燃費が約30%もよくなり、さらにマグネシウムは海中にもある豊富な資源なので、安いという魅力もあります。
しかし、問題は、延性(伸びる性質)が低いことです。機械のボディや部品の材料は、さまざまな形に加工できなければなりません。しかし、延性が低いとすぐに割れてしまうのです。そこで、マグネシウム合金の延性を高める研究が進められています。

調味料を加えたり、熱したり!?

材料の開発は料理に似ています。料理は、食材に調味料を加えたり炒めたりオーブンで熱したりします。まさに、材料開発も、元素にレアメタルを加えたり、高温にして反応を高めたりします。延性の低いマグネシウム合金板を、高温・高圧の特殊な条件で加工することにより、10%未満だった延性を、加工に必要とされる30%にまで高めることに成功しました。軽量なマグネシウム合金の実用化に、一歩近づいたといえます。

多孔質アルミニウムが月探査機に活躍!?

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月へ送る小型探査機の開発計画

現在、宇宙航空研究開発機構(JAXA)では、月に小型探査機を送る計画を進めています。SLIM(Smart Lander for Investigating Moon)と呼ばれるこのプロジェクトの目的は、「降りたいところへ降りる」です。
従来のロケットは、平らであるなど、「降りやすい」場所を選んでいましたが、将来、月をはじめ、さまざまな惑星に宇宙船を送る時代が来ることを想定すると、どこにでも着陸できる探査機の開発は重要だからです。

「降りたいところに降りる」のは実は大変!

SLIM探査機の総重量は、打ち上げ時には約400kgですが、月面着陸時には燃料を消費しているので100kg程度になります。しかし月面には大気がないため、パラシュートを開いて落下速度を遅くすることができません。また、逆噴射して減速する方法も、砂を巻き上げ、機器類に悪影響を与えるため使えません。そこで、探査機の着陸脚に衝撃吸収材を装着する方法をとることになりました。
着陸脚は4本あります。月面上高さ3mから自由落下するので着陸速度は3m/秒です。重さ約100kgですから、着陸時の運動エネルギーは450ジュールとなります。1本の脚には112.5ジュールのエネルギーがかかる計算になりますが、足場が悪い場合に2脚で着陸することを想定して、1脚あたり225ジュールとしました。衝撃吸収材はこのエネルギーを吸収しなければなりません。

パンみたいな多孔質アルミニウム

衝撃を吸収する材料として、多孔質アルミニウムが注目されています。これは、小麦粉にイースト菌を入れて膨らませるパンのように、アルミニウムに発泡剤を入れて焼いて作る、スポンジのような材料です。材料工学では「ポーラス金属」と呼ばれる材料で、穴が細かく数が多いほど衝撃吸収力が高くなります。実験室では、落下試験を繰り返しながら、探査機の脚専用の多孔質アルミニウムの開発が行われています。

高校生・受験生の皆さんへのメッセージ

私はガンダム世代で、小さい頃からロボットや宇宙が好きでした。材料工学の道に進んだのは、材料からロボットにアプローチしたかったからです。ロボットをはじめ、ロケットや航空機、自動車など、あらゆる機械は、材料がないと製造できません。また、新しい高性能の材料は、革新的な機械の誕生につながり、世の中の役に立つのです。
今、あなたは、数学や物理を「何のために勉強しているんだろう」と思っているかもしれません。しかし、大学の授業では、「あ、これは高校の時にやったあれだ」ということがたくさんあります。


夢ナビ編集部監修

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