X線とAIが捉えた、宇宙機の耐熱シールド再突入時の劣化過程
宇宙機が地球大気圏に再突入する際、耐熱シールドがどのように破壊されるのかを、リアルタイムで観察する新しい研究成果が生まれた。NASAとローレンス・バークレー国立研究所の先端光源（ALS）による共同研究により、従来は再突入前後の写真しか得られなかった耐熱シールドの劣化過程が、X線を用いて三次元で可視化されたのだ。
耐熱シールドの性能を左右する物質や設計の改善は、これまで課題を抱えていた。典型的には、シールドが任務を完了した後のみデータを取得できたため、実際の再突入時に何が起きているのかを詳しく理解することが難しかったのである。アルテミス1の無人試験飛行では、予想外の炭化とシールド材の不均等な喪失が観測されたが、この現象は事前の数多くのシミュレーションでも予測されていなかった。シールドの太平洋への着水は成功したものの、こうした予測不可能な物理現象は機器の喪失につながる可能性を秘めている。
実験室で1650℃の環境を再現
研究チームは、ローレンス・バークレー国立研究所内に専用の実験チャンバーを設計し、耐熱シール材が分解を始める900℃まで加熱できるようにした。圧力と大気ガスの組成も再突入時の条件に近づけることで、実際の環境をシミュレートしている。ただし、気流速度という重要な要素は、このチャンバーでは再現できなかった。
ALSの真価は、この実験装置よりもむしろ画像化技術にある。チャンバー内の耐熱シール材サンプルに対して、X線マイクロCT（マイクロ・コンピューター・トモグラフィ）を照射することで、材料が活発に分解する過程を三次元構造で捉えることができたのだ。
NASA ジョンソン宇宙センターのVishnuオルガンティ研究員は、イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の博士課程にいた時代にこのプロジェクトの主要研究者の一人として参画した。同氏によると、「アルテミスおよび火星着陸ミッションに関連する材料を含む、ほぼすべての主要なNASA耐熱シール材がこの先端光源での手法で研究されている」という。
AIで高解像度と高速撮影を両立
研究対象となったSLA-561Vとは、天然コルクを充填材として含む材料である。加熱されるとコルク粒子が急速に気化して中空の空隙を形成する特性が確認された。一方、シリコーン・エラストマーマトリックス材のSLA-220は、分解時に相互に連結した分岐型マイクロチャネルが形成され、高温ガスがシール全体を通じて急速に放出される構造になっていた。これらの異なる劣化プロセスは、再突入時の宇宙機の性能に根本的な影響を及ぼすが、その実態把握は簡単ではなかった。
研究チームが直面したのは、高精細な画像を撮影すれば撮影速度が落ちて材料の変化を逃す可能性があり、高速撮影をしれば解像度が低下するというトレードオフである。この課題を解決するため、研究者たちは生成的敵対的ネットワーク（GAN）というAIアルゴリズムを導入した。中程度の解像度で連続撮影した画像をAIで高解像度に変換することで、材料が変形・炭化・空洞化していく過程を高速かつ高精細に記録することが実現したのだ。
ただし、今後の課題もある。今回得られた知見をもとに、エンジニアが耐熱シールドの挙動を予測するために使用しているシミュレーションソフトウェアの更新はまだ行われていない。また、ドラゴン宇宙船に使用されているフェノール含浸カーボンアブレータ（PICA-X）など、商用宇宙機に搭載されるシール材についても分析はなされていない。
出典: Universe Today
