蛍光 X 線分析（XRF）で月面ダストに挑む NASAによるクリーンな宇宙探査の追求

人類がアルテミス計画による月への再挑戦に備える中、ある困難な課題がミッション成功への深刻な脅威として再び浮上しました。 それが月面ダストです。 当社が主催した Inspection 360 ウェビナーにて、NASA ジョンソン宇宙センターの航空宇宙技術者である Josh Litofsky 博士が、この深刻な課題を測定および軽減するためにハンドヘルドの蛍光 X 線分析（XRF）技術がどのように採用されているかについての洞察を共有しました。

なぜ月面ダストが重要なのか

月面ダストは単なる土ではありません。極めて微細で鋭利な形状を持ち、あらゆるものに付着する特殊な物質です。 アポロ計画では、宇宙飛行士から目や皮膚の炎症、接合部やシールの詰まり、そして宇宙服や機器が埃まみれになったことが報告されました。 月面ダストは帯電しやすく、研磨性があり、広範囲に拡散するため、乗組員の健康、車両の機能、ミッションの信頼性にとって大きな脅威となります。

しかし、簡単に目視できず、容易に除去もできないものを、どのように定量化すればよいのでしょうか？

測定における課題

実際の月面ダストを用いた実験には限界があり、NASA がアポロ計画で持ち帰ったのは数百 kg しかありません。 そこで研究者たちは、月の表土を模倣して作られた地球ベースの物質である月の「模擬物質」に頼り、新たなダスト軽減戦略をテストしている。

最大の課題の一つは、清掃後にどれだけダストが残っているかを測定することでした。特に宇宙服や宇宙機のような大型で不規則な表面では困難です。

救世主となる蛍光 X 線分析

Litofsky 博士の研究は、 ハンドヘルド蛍光 X 線分析計を用いて、ダストを除去することなく表面上で直接定量する方法を検討しています。 従来、スクラップ金属の選別や採鉱の用途に使用されてきた蛍光 X 線分析計は、堅牢で、手袋を着けたままでも簡単に操作でき、瞬時に元素分析を行うことができます。

研究チームは、月面ダストには豊富に含まれるが宇宙服や宇宙船の材料には含まれていないチタンやカルシウムなどの 目印となる元素 に注目し、蛍光 X 線分析を使用してダストの負荷量（単位面積あたりの質量）を推定する手法を開発しました。

この方法は以下の手順で検証されました。

• 既知量のダストを含む校正試料の作成。
• 宇宙服の手袋、ブーツ、ソーラーパネル、車両部品の測定。
• 清掃前後の表面ダスト濃度を示すヒートマップの作成。

その結果、蛍光X線分析の測定値と実際のダスト量との間に高い相関が確認され、特に大型で不規則な対象物では従来の重量測定法を上回る性能を示しました。

月と火星での未来

この蛍光 X 線分析法はアルテミス計画を念頭に開発されましたが、ダストの組成は異なるものの、依然として課題が残る火星やその他の惑星の表面にも応用可能です。 ダストを除去したりサンプルを輸送したりする必要がなく、清掃技術が有効かどうかを迅速に評価できます。

今後展望

Litofsky 博士は今後の目標として次の 2点を挙げました。

1. 月面上でも誰でも使用できる、信頼性と再現性の高い標準手法として確立すること。
2. 真空、極低温、放射線、低重力といった 宇宙の過酷な条件に耐えられるように蛍光 X 線分析計のハードウェアを適応させること。

NASA はまた、この技術を意思決定ツールに変換する取り組みも行っており、ダストのレベルに対する許可/禁止のしきい値を作成し、ミッションクリティカルなシステムがクリーンかつ機能し続けることを保証するハードウェア開発をサポートしています。

結論

Litofsky 博士は次のように述べています。 「この技術は埃を除去するものではなく、清掃がうまくいったかどうかを知らせる役割を果たします。」そして、他の惑星で宇宙飛行士や数百万ドル規模の機器を保護するためには、この情報を見落とすことはできません。

※ 本稿では、商標名を識別目的のみに使用しています。 これらの使用は、明示的または黙示的を問わず、米国航空宇宙局（NASA）による公式な推奨を意味するものではありません。