主要成果
国際宇宙ステーション（ISS）に搭載された自動ファイバー牽引装置を用いた実験により、微小重力環境が特殊光ファイバーの機械的特性を大幅に改善することが証明されました。この実験では、低光信号損失を実現するフッ化物ガラスであるZBLANファイバーを約11.8km製造し、そのうち直径が比較的均一な約2.1kmのサンプルを詳細に分析しました。その結果、スペース製ステップインデックスファイバーの究極引張強度の中央値は、地上で製造された同等品よりも80%高いことが判明しました。また、単一インデックスファイバーにおいても25%の強度向上が確認されました。
技術・詳細
ZBLANは、ジルコニウム、バリウム、ランタン、アルミニウム、ナトリウムのフッ化物で構成される重金属フッ化物ガラスです。従来のシリカガラスに代わる特殊な光学用途、特に中赤外領域での透過特性が期待されています。しかし、地上での製造では、加熱して引き伸ばす過程で材料内部に小さな結晶が形成される「結晶化」が課題となっており、これが光を散乱させ、理論上の性能を妨げる要因となっていました。
今回の実験では、Flawless Photonics社が開発した、ISSの質量・体積・電力消費および宇宙飛行士の作業時間の制限に適合するコンパクトな自動牽引システムが使用されました。このシステムは、ガラスプリフォームの供給からファイバーの牽引、直径監視、回収までを自動化し、キロメートルスケールのサンプル製造を可能にしました。分析の結果、ステップインデックス型（コアとクラッドで屈折率が異なる構造）では、強度向上に加えて光減衰の低減も確認されました。また、材料強度の整合性と信頼性の指標であるワイブル係数が39%向上したことも報告されています。
背景・業界の文脈
ZBLANは理論的にシリカガラスよりも大幅に低い光減衰を実現できる可能性を秘めていますが、製造欠陥が商業的な普及の壁となっていました。微小重力環境は、重力に起因する流動や材料分離の影響を軽減できるため、欠陥の少ないガラスを製造するための理想的な環境と考えられています。ただし、今回の結果は構造によって効果が異なることを示しており、単一インデックスファイバーでは地上製との間に測定可能な光学的な差は見られませんでした。
今後の展望
宇宙での製造が有望な結果を示した一方で、依然として課題は残っています。出発点となるガラスの不純物やプリフォーム内に閉じ込められた気泡は、依然として光損失の原因となります。極めて低い減衰率を求める用途に適用するには、原材料の純度向上と製造プロセスの制御が不可欠です。また、商業化には信頼性の高い自動設備、一貫した品質管理、効率的な梱包、および地球への輸送手段の確立が必要です。
こうした宇宙製造の可能性は、独自の宇宙インフラを開発しているインドにとっても重要視されています。インドが計画している「Bharatiya Antariksh Station」では、2028年に予定されている最初のモジュールを含め、宇宙製造などの科学技術研究を支援することが意図されています。
元記事: https://www.electronicsforu.com/news/space-made-glass-fibre-shows-80-per-cent-higher-strength
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