材料科学研究所

欧州宇宙機関の材料科学研究所( MSL) は、低重力下での材料科学実験のために国際宇宙ステーションに搭載されているペイロードです。

これは、国際宇宙ステーションのデスティニー実験室に設置されたNASA初の材料科学研究ラックに設置されています。その目的は、金属や合金の方向性凝固、半導体材料の結晶成長、合金やガラス形成材料の熱物理的特性と拡散実験、液体-固体相転移におけるポリマーとセラミックの調査など、さまざまな方法で材料サンプルを処理することです。^[1]

MSL は、ドイツのフリードリヒスハーフェンにあるEADS Astrium社によって ESA 向けに構築されました。ドイツのケルンにあるドイツ航空宇宙センター(DLR)の微小重力ユーザー サポート センター (MUSC) によって運用および監視されています。

MSL は、2009 年 8 月末にスペース シャトル ディスカバリー号のSTS-128ミッションで打ち上げられました。打ち上げから 2 日後にシャトルが国際宇宙ステーションにドッキングした直後に、多目的ロジスティクス モジュールからデスティニー ラボラトリーに移されました。その後、まず MSRR 内の材料科学研究ラックと MSL の機能を確認するための試運転作業が開始されました。試運転には、11 月初旬に行われた最初の 2 つのサンプルの処理も含まれていました。この 2 つのサンプルは科学者による分析のために地上に持ち帰られ、その後、バッチ 1 の残りのサンプルは 2010 年初頭に処理される予定です。

材料科学研究所( MSL) 施設は、NASA の MSRR-1 に対する欧州宇宙機関の貢献です。国際標準ペイロード ラックの半分を占めます。

MSL は、コア ファシリティと、関連するサポート サブシステムで構成されています。コア ファシリティは主に、サンプル処理が行われる個別の炉インサート(FI)を収容できる真空密閉ステンレス鋼シリンダー (プロセス チャンバー) で構成されています。処理チャンバーは、正確に制御された処理環境と微小重力レベルの測定を提供します。複数の異なる炉インサートを収容できます。最初の一連の実験では、低勾配炉 (LGF) が設置されます。別の炉である凝固および急冷炉 (SQF) はすでに製造されており、将来の操作のために地上で待機しています。FI は専用の駆動機構で移動でき、科学者の要件に応じて各サンプルを処理できます。処理は通常、真空状態で行われます。

コア施設は、最大 8 つの加熱要素を備えた FI をサポートし、FI、サンプル カートリッジ アセンブリ (SCA)、および必要となる可能性のある関連する実験専用電子機器の処理に必要な機械的、熱的、電気的インフラストラクチャを提供します。

FI は、断熱アセンブリに含まれる加熱要素、隔離ゾーン、冷却ゾーンの配置です。このアセンブリの外側のエンベロープには、コア ファシリティへの機械的インターフェイスを形成する水冷式金属ジャケットがあります。

製造された 2 つの炉インサートの主な特徴は次のとおりです。

• 低勾配炉（LGF）

LGF は主に半導体材料のブリッジマン結晶成長用に設計されています。断熱ゾーンで区切られた 2 つの加熱キャビティで構成されています。このアセンブリにより、2 つの非常に安定した温度レベル間で、低く正確に制御された勾配を確立できます。

• 凝固急冷炉（SQF）

SQF は主に冶金研究用に設計されており、冷却ゾーンを素早く移動させることで、処理の最後に凝固界面を急冷するオプションがあります。加熱キャビティと、断熱ゾーンで区切られた水冷冷却ゾーンで構成されています。実験サンプルに沿って中程度から急激な温度勾配を確立できます。大きな勾配を作成するために、液体金属リングが SCA と冷却ゾーン間の熱結合を強化します。^[2]

処理されるサンプルは、漏れのないチューブ、るつぼ、プロセス制御用センサー、サンプル プローブ、カートリッジ フット (プロセス チャンバーへの機械的および電気的インターフェイス) で構成される実験カートリッジ (SCA) に収められています。MSL 安全コンセプトでは、毒性化合物を含む実験サンプルは、潜在的な漏れの検出をサポートする SCA に収める必要があります。実験サンプルとカートリッジ チューブの間の空間には、定義済みの量のクリプトンが充填されており、質量分析による漏れの検出が可能です。ただし、最初の実験バッチには毒性物質は含まれていません。

最大12個の科学的熱電対がサンプルの温度プロファイルを提供し、示差熱分析を可能にします。^[2]

材料科学研究所 - 凝固プロセスにおける柱状から等軸への遷移 (CETSOL) と、拡散および磁気制御対流条件下での工業用合金の鋳造における微細構造形成 (MICAST) は、微小重力下での金属合金の結晶化中に生じるさまざまな成長パターンと微細構造の進化を調べる 2 つの調査です。

MICAST は、拡散および磁気制御対流条件下での工業用合金の鋳造中の微細構造形成を研究します。数値シミュレーションを使用したパラメータ研究と実験結果を組み合わせて、工業鋳造プロセスを最適化するために使用されます。MICAST は、鋳造プロセス中の微細構造の進化に影響を与える流体の流れのパターンを実験的に特定して制御し、分析モデルと高度な数値モデルを開発します。国際宇宙ステーションの微小重力環境は、重力による対流がすべて排除され、実験者が完全に制御する人工流体の流れによって乱される可能性のある明確に定義された凝固条件が優勢であるため、このプロジェクトにとって特に重要です。鋳造プロセス、特に明確に定義された特性を持つアルミニウム合金を改善できるようにする設計ソリューションが提供されます。MICAST は、回転磁場を使用する場合と使用しない場合の方向性凝固中の微細構造の進化に対する、アルミニウム-シリコン(AlSi) およびアルミニウム-シリコン-鉄(AlSiFe) 鋳造合金の純粋な拡散および対流条件の影響を研究します。

CETSOL の主な目的は、凝固プロセスにおける柱状-等軸遷移 (CET) および結晶粒微細構造のモデリングを改善し、検証することです。これは、鋳造の統合数値モデルに導入された数値ツールの信頼性とそれらの関係について、産業界に自信を与えることを目的としています。この目標を達成するために、微視的スケールから巨視的スケールまで、微細構造の形成と CET を支配する基本的な物理現象の定量的特性評価を徹底的に深化させます。CET は、過冷却液体内で柱状成長の先端より先に新しい結晶粒が成長する柱状成長中に発生します。特定の条件下では、これらの結晶粒が柱状成長を停止し、凝固微細構造が等軸になります。CET を研究するためにサンプルを凝固させるには長い時間がかかるため、ISS で実験を行う必要があります。実際、柱状成長が発生するときの結晶粒構造の長さスケールは、微細構造スケールではなく、鋳造スケールのオーダーです。これは、第一近似として、遷移を制御するのは溶質の流れではなく熱の流れであるという事実による。アルミニウムニッケル合金とアルミニウムシリコン合金の実験プログラムが実行されている。^[3]

• Schaefer D、Henderson R. 材料科学研究施設のコンセプト。第 38 回航空宇宙科学会議および展示会。ネバダ州リノ。1 月 12 日～15 日、;AIAA-1998-259。1998
• Cobb SD、Higgins DB、Kitchens L. 最初の材料科学研究施設ラックの機能と設計上の特徴。IAF 抄録、第 34 回 COSPAR 科学会議、第 2 回世界宇宙会議。;J-6-07。2002
• Carswell W、Kroeger F、Hammond M. QMI: 国際宇宙ステーションにおける金属および合金処理用炉。2003 IEEE 航空宇宙会議議事録。;1:1-74。2003
• Pettigrew PJ、Kitchen L、Darby C、Cobb SD、Lehoczky S. 第一材料科学研究ラック（MSRR-1）の設計上の特徴と機能。2003 IEEE航空宇宙会議の議事録。;1:55-63。2003 ^[4]

ISSにおける科学研究

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  打ち上げ構成の地上 MSRR-1。ラックの右側には MSL エンジニアリング モデルが含まれています。左側には MSRR-1 ラック サポート サブシステム (下部) と収納コンテナ (上部) が含まれています。左側には、必要に応じて追加の炉モジュールをサポートするための設備/インターフェイスがあります。
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  2004 年の MSL の低勾配炉とサンプル アンプル カートリッジ アセンブリ。
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  MSRR-1 の右側にある、欧州宇宙機関が開発した低勾配炉 (LGF) と凝固急冷炉 (SQF) のクローズアップ画像。
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  NASA画像: ISS020E037829 欧州宇宙機関の宇宙飛行士クリステル・フグルサング（上段前）とNASAの宇宙飛行士ティム・コプラ（ともにSTS-128ミッションスペシャリスト）が、国際宇宙ステーションのデスティニー実験室に材料科学研究ラック1（MSRR-1）を設置している。

• DLRのMSLウェブサイト
• ESAのMSLウェブサイト