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Density and molar volume of CaO–SiO2–FeO melts measured by electrostatic levitation aboard the International Space Station

国際宇宙ステーションに搭載された静電浮遊炉を用いて、研究者らは微小重力下におけるCaO–SiO2–FeOメルトの密度とモル体積を測定し、密度はFeO含有量とともに増加する一方で、モル体積は高いFeO濃度においてわずかな偏差が見られるものの概ね加成モデルの予測と一致することを明らかにした。

原著者： Yusaku Seimiya, Masahito Watanabe, Takehiko Ishikawa, Chihiro Koyama, Yuki Watanabe

公開日 2026-07-11✓ Author reviewed ⓘ

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CC BY 4.0

原著者： Yusaku Seimiya, Masahito Watanabe, Takehiko Ishikawa, Chihiro Koyama, Yuki Watanabe

原論文は CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) でライセンスされています。 ✨ これは以下の論文のAI生成解説です。著者が執筆したものではありません。技術的な正確性については原論文を参照してください。免責事項の全文を読む

巨大で浮遊する石鹸の泡を想像してみてください。ただし、石鹸と水ではなく、光り輝く溶融した岩石と金属でできています。そして、その泡が国際宇宙ステーションの中に浮かんでいる様子を想像してください。そこでは重力はほとんど幽霊のような存在です。それが、まさにこの研究で起きたことです。日本の科学者たちは、3種類の異なる溶融岩のレシピ（酸化カルシウム、二酸化ケイ素、酸化鉄の混合物）を用意し、それらが熱くドロドロの状態の時にどれほど重いのかを知るために、宇宙へと送り出しました。

なぜ宇宙に行く必要があるのでしょうか？地球上では、超高温の液体がどれほど高密度であるかを測定したい場合、通常は容器に入れる必要があります。しかし、熱い金属は容器を「食べて」しまったり、容器から成分が金属の中に漏れ出したりして、測定を台無しにしてしまいます。それは、ピザがまだ箱にくっついている状態で、その重さを量ろうとするようなものです。箱が重さを加え、味まで変えてしまいます。宇宙では、「静電浮遊」という特別なテクニックを使うことで、科学者たちは目に見えない電気の手を使って、溶融した液滴を空中に保持することができました。箱も容器もなく、ただ純粋に浮遊する液体の岩石があるだけです。

チームは、CS20F、CS60F、CS80Fとラベル付けされた、3つの特定の「フレーバー」の溶融物をテストしました。数字は、重量比での酸化鉄（FeO）の含有量を表しており、それぞれ20%、60%、80%です。残りの成分は、他の2つの成分を50/50の割合で分けたものです。彼らはレーザーを使用してこれらの液滴を熱し、光り輝くほど高温にし、その後、高速カメラで1秒間に60枚の写真を撮りながら冷却させました。浮遊する球体の影が冷却とともに縮んでいく様子を観察することで、体積を計算し、サンプルの重量を知っていたので、密度を算出することができました。

以下が彼らの発見です：
第一に、温度が上がるにつれて、密度は下がりました。これは、熱い空気を吹き込むと風船が膨らむようなものです。同じ量の物質がより多くのスペースを占めるため、密度は低くなります。これは3つの混合物のすべてにおいて直線的に起こりました。
第二に、特定の温度において、酸化鉄が多い混合物ほど密度が高くなりました。80%の鉄を含む混合物が最も重く、20%の鉄を含む混合物が最も軽かったです。
第三に、彼らは「モル体積」と呼ばれるもの、つまり「1モル」の混合物がどれほどのスペースを占めるかを見ました。彼らは、鉄を増やすと（20%の混合物から60%の混合物へ）、混合物が占めるスペースが実際に小さくなることを発見しました。しかし、さらに鉄を加えると（60%から80%へ）、スペースはほとんど変化しませんでした。それはスポンジを絞るようなものでした。最初の絞りではコンパクトになりますが、二度目の絞りではほとんど効果がありません。

科学者たちは、宇宙での測定データを、古い地球のデータおよび「加法性参照（additive reference）」と呼ばれる単純な数学モデルと比較しました。このモデルは、2つのものを混ぜると、全体の体積はパーツの合計になるという仮定に基づいています。まるでレゴブロックを積み重ねるようなものです。結果として、実際の溶融岩は、この単純なレゴブロックの考え方とおおむね一致していましたが、最も高い鉄含有量においては、実際の溶融物はレゴモデルが予測するよりもわずかに多くのスペースを占めていました。

彼らはどの程度確信を持っているのでしょうか？論文には、測定の最大相対拡張不確かさが3.46%であったと記されています。これは、得られた数値が、真の値の約3.5%の範囲内にある可能性が高いことを意味します。このわずかな不確かさの最大の要因は、浮遊している球体そのものではなく、カメラの校正に使用した参照球の測定でした。体積の計算は、参照球の直径の3乗（自身を3回掛け合わせたもの）に依存するため、参照球のサイズの測定における極めて小さな揺らぎであっても、増幅されてしまうのです。

では、彼らは何を否定したのでしょうか？彼らは、容器が測定を狂わせるという考えを否定したわけではありません。むしろ、これらの高温域においては容器のない手法が必要であることを確認しました。また、体積が鉄の含有量によって激しく変化するということも見出せませんでした。代わりに、体積は最初に急激に減少し、その後は平坦になることを発見しました。彼らは、これがすべての冶金学における完璧に解決された問題であると主張したのではなく、地球上のツールが苦戦する温度帯における、強固な参照データを提供したのです。

要約すると、溶融した岩を宇宙に浮かべることで、チームはこれらの特定のメタル・スラグ混合物が、熱く重い時にどのように振る舞うかについて、より鮮明な姿を描き出しました。鉄が増えるほど一般的に液体は高密度になるものの、鉄の含有量に伴って体積が減少する方法は直線ではなく、平坦化する曲線であるということを確認しました。このデータは、エンジニアや科学者が、高温プロセスにおける金属の流れや分離をモデル化するために役立つよう、現在準備が整っています。

技術要約：国際宇宙ステーションにおける静電浮遊法を用いたCaO–SiO2–FeO融液の密度およびモル体積の測定

問題提起
溶融スラグの信頼性の高い密度データは、高温冶金プロセスにおける流体流動、熱および質量輸送、相分離、ならびに界面現象を解析するために不可欠である。CaO–SiO2–FeO系は、鉄含有冶金スラグの基本的な部分系を代表するものであり、プロセスモデリングや熱物理特性データベースのために正確な密度データを必要としている。最大気泡圧法やアルキメデス法などの従来の接触法は、高温下において融液と支持材（るつぼ、毛細管、浮子）との間の汚染や反応に起因する問題が生じることが多い。したがって、これらの干渉を回避しつつ、より高温域への密度測定を拡張できる容器なしの測定技術が必要とされている。

手法
本研究では、国際宇宙ステーション（ISS）内の静電浮能炉（ISS-ELF）を用い、微小重力条件下でのCaO–SiO2–FeO融液の密度を測定した。

試料調製： 公称FeO含有量が20、60、80 mass%である球状試料（直径約2 mm、それぞれCS20F、CS60F、CS80Fと指定）を調製した。組成の残部はCaOとSiO2を質量比1:1で構成した。ISSへの輸送前に球形性を確保するため、地球上のエアロダイナミック浮遊炉内で試料を溶融させた。
実験装置： ISS-ELF内において、アルゴン雰囲気（2 × 10⁵ Pa）下、3対の互いに垂直な電極間で試料を静電浮遊させた。加熱には4本の980 nm半導体レーザーを用いた。
データ取得： 単色ピロメーター（1.45–1.8 µm）を用いて試料温度を監視し、CCDカメラと紫外線バックライトを用いて、滴状試料のシャドウイメージを60 fpsで記録した。
温度補正： 再結晶化（recalescence）を示す試料（CS60FおよびCS80F）については、FactSage 8.4（FToxidデータベース）を用いて液相線温度を算出した。再結晶化の変曲点における指示温度が計算された液相線温度と一致するように、有効放射率（約0.8）を調整した。この放射率の値を、再結晶化を示さずガラス状の回収面を持つCS20Fの試料にも適用した。
計算： 滴の体積（ $V$ ）は、重力による変形が無視できると仮定し、シャドウイメージの輪郭から得られた円盤状の断面の数値積分によって決定した。密度（ $\rho$ ）は、実験後の試料質量（ $m$ ）と体積（ $V$ ）の比として算出した。その後、公称酸化物組成を用いてモル体積を導出した。
不確かさ解析： 不確かさは、測定分解能および質量、参照球直径、画像係数の反復性を考慮し、測定における不確かさの表現に関するガイド（GUM）に従って評価した。

主な結果

温度依存性： すべての組成において、密度は温度の上昇とともにほぼ線形に減少した。測定範囲は、CS80Fで1331–1623 °C、CS60Fで1313–1934 °C、CS20Fで1280–1942 °Cであった。
組成依存性： 特定の温度において、密度は公称FeO含有量の増加とともに増加した。
モル体積の傾向： 約1400 °Cにおける換算モル体積は、20 mass% FeOの試料（CS20F）から60 mass% FeOの試料（CS60F）にかけて減少した。60 mass%と80 mass%のFeO試料間では、モル体積の変化はわずかであった。
文献およびモデルとの比較： 測定された密度は、LeeおよびGaskellによって報告された負の温度係数およびFeO依存性と一致した。測定されたモル体積は、概して加成性参照モデル（CaO–SiO2画分をCaO·SiO2等価成分として扱う）と一致したが、実験値は高FeO含有量においてわずかに大きかった。
不確かさ： 密度の最大相対拡張不確かさは3.46%（包含係数 $k=2$ ）であった。不確かさの最大の要因は、体積計算において3乗の項として入る参照球直径の反復性であった。

意義および主張
著者らは、これらの結果が、従来の接触法を適用することが困難な高温域におけるCaO–SiO2–FeO融液の密度データを提供するものであると述べている。これらのデータは、冶金プロセスモデリングおよび熱物理特性データベースの開発を支援するための参照材料として提示されている。本研究は、ISS-ELFが、るつぼの汚染や高温による制限の問題を効果的に軽減し、酸化物融液の安定した容器なし密度測定を実行できる能力を有していることを実証している。本論文は、比較に使用した加成性参照が一次の体積加成性推定であることに触れつつ、当該系の熱力学的理想性を主張するものではない。

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