宇宙機光学系の清浄度維持技術 ― アウトガスによる性能劣化を回避する汚染対策 ―

1：導入 ― 汚染制御はなぜ光学設計の一部なのか

人工衛星や宇宙探査機に搭載される光学センサにとって、真空という環境は、地上では想像もつかない「目に見えない汚染」との戦いの場です。どれほどレンズの収差を極限まで抑え、ミラーの反射率を追求したとしても、ひとたび軌道上で「曇り」が生じれば、そのミッションの科学的価値は一瞬で損なわれてしまいます。

かつては「ベイクアウト（Bake-out）さえすれば解決する」と考えられていた汚染対策も、近年の観測精度の向上に伴い、より精密なロジックが求められるようになりました。JAXA共通技術文書（JAXA-QTS等）で定められた材料選定の基準は、あくまで最低限の「入場門」に過ぎません。実際の設計現場では、製造工程、熱設計、構造配置、そして軌道上での運用という、プロジェクトの全フェーズを横断した「汚染制御計画（CCP / Contamination Control Plan）」の構築が不可欠です。

1-2：「ベイクアウト」と「ベーキング」― 言葉に込められた品質の差

実務において「焼く」という工程を指す際、「ベイクアウト（Bake-out）」と「ベーキング（Baking）」という二つの言葉が使われます。これらは物理的な加熱動作としては共通していますが、宇宙機設計の文脈では明確に使い分けられるべき概念です。

1-2-1：目的の有無が言葉を分ける

「ベーキング」が単に物体を加熱する「動作」そのものを指すのに対し、「ベイクアウト」には「内部のアウトガスを外部へ追い出し（Out）、規定の清浄度へ到達させる」という明確な品質保証の目的が含まれています。JAXA共通技術文書においても、単なる乾燥ではなく、真空環境下で不純物を除去し、光学性能を担保するためのプロセスとして「ベイクアウト」という用語が定典（Standard）となっています。

1-2-2：光学設計者が「ベイクアウト」と呼ぶべき理由

光学設計者が構造や製造の担当者と対話する際、「ベーキング」ではなく「ベイクアウト」という言葉を一貫して使用することは、作業が単なる乾燥工程ではなく、透過率や感度といった「光学性能を左右する不可逆なプロセス」であることを周囲に再認識させる効果があります。

2：WVRによる氷結リスク

人工衛星の光学設計において、最も警戒すべき敵は「見えない水の挙動」です。多くの設計者は有機物のアウトガス（油分）を警戒しますが、実はミッション初期に致命的な打撃を与えるのは、地上で吸い込まれた「水分」であることが少なくありません。本章では、JAXA共通技術文書がなぜWVR（Water Vapor Regained / 再吸水量比）という指標を重く見ているのか、その技術的背景を紐解きます。

2-1：JAXA共通技術文書におけるWVRの定義と「水の履歴管理」

JAXA共通技術文書に基づく材料選定基準では、アウトガス特性を評価するためにTML（全質量損失）やCVCM（再凝縮物質量）と並んで、必ずWVR（再吸水量比）が測定されます。これは、一度真空中でベイクアウトされた材料を、再び大気中に24時間放置した際にどれだけ水分を再吸収したかを測定する項目です。

2-1-1：JAXA共通技術文書が定める試験条件

実際のスクリーニング試験における具体的な数値条件は以下の通りです。この基準を満たさない材料は、光学系周辺での使用を原則として制限されます。

試験環境: $7 \times 10^{-3}$ Pa以下の高真空
加熱温度: 125 ± 1℃
保持時間: 24時間
判定指標1（TML）: 全質量損失比 1.0%以下
判定指標2（CVCM）: 再凝縮物質量比 0.1%以下
判定指標3（WVR）: 再吸水量比（数値そのものを管理し、氷結リスクを評価）

2-1-2：なぜ「水」だけが別格の扱いを受けるのか

水分は他の有機分子に比べ、材料への吸着・脱離のスピードが非常に速いという特徴があります。これは、分子サイズが極めて小さく、かつ強い極性を持つため、CFRP（炭素繊維強化プラスチック）の樹脂層や多層断熱材（MLI / Multi-Layer Insulation）の隙間に、いわば「スポンジのように」入り込むからです。

2-1-3：具体的な低アウトガス材料の選定

JAXAの材料データベースで高い信頼性が確認されている材料を2つ挙げます。

ソルリシ（Solithane）113: コーティング材や接着剤として多用されるウレタン系材料。
アーラルダイト（Araldite）AV138/HV998: 低アウトガス特性に定評があるエポキシ樹脂。これらの特性データは、JAXAの「材料・部品データ提供システム（MATES）」や、NASAが提供している「Outgassing Data for Selecting Barrier Materials」というWebサイトで無料で閲覧が可能です。

2-2：エピソード：冬眠から覚めたら氷漬け ― クリーンルームの罠

1996年に打ち上げられた地球観測プラットフォーム技術衛星「みどり（ADEOS）」などの運用経験からも、水分の挙動は重要視されてきました。地上での組み立て・試験フェーズにおいて、衛星は厳格な湿度管理下のクリーンルームに置かれます。しかし、打ち上げ延期などで保管期間が数ヶ月に及ぶと、高分子材料はわずかな湿度変化を感知し、平衡状態に達するまで水分を吸い込み続けます。

2-2-1：冷却開始とともに始まる「氷の成膜」

衛星が軌道に投入され、観測を開始するために検出器の冷却（Cryogenic Cooling）が始まると、周囲の構造材から放出された水分子が、最も温度が低い検知面へと殺到します。ここで適用されるのが、温度と相変化の関係を示す**「クラウジウス・クラペイロンの式（Clausius-Clapeyron equation）」**の概念です。レンズ表面で水分子が衝突し、熱を奪われて固体へと変化する「物理的なトラップ」が形成され、透過率が一夜にしてゼロ付近まで低下する「氷漬け現象」が発生します。

2-3：実務的な汚染制御ロジック：ベイクアウトを超えた運用

このリスクを回避するためには、単に事前に焼くだけでは不十分です。

2-3-1：乾燥窒素（N2）パージの連続性と収支管理

宇宙開発の現場では、ベイクアウト後から打ち上げ直前まで乾燥窒素（N2）を流し続ける「パージ運用」が徹底されます。これは周囲の分圧を制御し、材料内部への水分子の再侵入を物理的にブロックする戦略です。

2-3-2：運用初期のヒーターワークによる「追い出し」

また、軌道投入直後はあえて光学系を冷却せず、周囲より高温に保つ運用が採られます。これは汚染源が脱ガスを終えるまで、光学面を凝縮ポイントにさせないための時間稼ぎです。この運用の妥当性は、**「蒸気圧曲線（Vapor pressure curve）」**に基づき、レンズ表面を結露点以上に保つロジックで証明されます。

3：排気の「向き」が引き起こした自爆

3-1：エピソード：火星探査機MAVEN（2013年打ち上げ）に見る「自己汚染」

排気された分子がどのような軌道を描くかを予測する「汚染パス解析（Contamination Path Analysis）」の成否は、ミッションの完遂に直結します。

3-1-1：スタートラッカーを直撃する汚染流

火星探査機MAVEN（Mars Atmosphere and Volatile EvolutioN）のような精密な観測機では、排気口（Venting port）の向きが重要です。ある設計例では、電子基板の脱ガスを促すための排気口が、幾何学的にちょうど姿勢制御用センサ（スタートラッカー）の光学窓の正面に位置していました。コンポーネント内部から噴き出した分子流が、排気口を中心とした「円錐状（Conical shape）」の広がりを持ち、真空中を直進してレンズに直接衝突し続ける経路が形成されてしまいました。

3-2：視界因子（View Factor）を計算するための幾何学モデル

上長や審査員に対して排気設計の正当性を証明するためには、「視界因子（View Factor）」を用いたロジカルな説明が欠かせません。

3-2-1：微小面間の幾何学的な相関関係

視界因子とは、ある表面（排気口）から放出された分子が、別の表面（レンズ）に到達する割合を示す指標です。計算には以下の要素を用います。

距離（ $r$ ）: 排気口とレンズの間の直線距離。2乗に反比例して影響が減衰。
法線角（θ）: 排気口の正面方向と、レンズ方向とのなす角度。コサイン則（Cosine law）に基づき、正面から外れるほど到達率は低下。
投影面積: レンズが排気口からどのように見えているかという面積。

3-2-2：具体的な対策としての遮蔽設計

このモデルに基づき、視界因子を限りなくゼロにするための「遮蔽バッフル（Shielding Baffle）」を設置します。排気口の出口に「ひさし」のような板を設け、分子の直進経路を物理的に屈折させ、レンズ面への直接到達を理論的に不可能にするロジックを構築します。

4：視界を奪う茶色の霧 ― 光重合（Photopolymerization）の恐怖

汚染制御において最も回避すべき事態は、付着した物質が化学的に変化し、除去不能な「永久的な膜」となることです。

4-1：エピソード：太陽光が引き金となる「焼き付き」のメカニズム

2000年代の地球観測衛星や宇宙望遠鏡の教訓として、紫外線（UV / Ultraviolet）によるアウトガスの「光重合」が挙げられます。

4-1-1：二度と剥がれない着色膜の形成

微量のアウトガスがレンズに付着した状態で、その面が太陽光を浴びた瞬間に悲劇が起こります。紫外線の高いエネルギーによって有機分子の結合が組み換わり、より巨大で安定したポリマーへと進化します。文字化された図解でこの状態を描写すると、レンズ表面に薄く広がっていた「液状の油分」が、紫外線の照射によって「網目状に硬化した茶褐色の樹脂膜」へと変質し、レンズ素材と化学的に固着してしまった状態です。この膜はもはや真空オーブンで加熱しても蒸発せず、光学性能を恒久的に損なう「日焼け跡」として残ってしまいます。

4-2：実務ロジック：材料選定（TML 1.0%）の限界と回避戦略

材料がJAXA共通技術文書の基準内であっても、ミッション中に「ガスが存在する状態で太陽光が当たる」という条件が揃えば光重合は発生します。

4-2-1：ラビリンス（迷路）構造による分子拡散の抑制

光学バッフル内部に**「ラビリンス（Labyrinth）構造」**を採用します。これは、排気経路をクランク状に何度も折り曲げることで、分子がバッフル内部の壁面に衝突・吸着する回数を稼ぎ、光学窓付近のガス密度を物理的に下げる手法です。文字化された図解で構造を説明すると、直進する分子が壁面に衝突するたびにエネルギーを失い、あるいは壁面にトラップされることで、最終的なレンズ到達確率を指数関数的に低減させます。

4-2-2：初期運用の姿勢制御とタイムライン

ロジカルな運用対策として、打ち上げ後の数日間（アウトガス放出が最も激しい期間）は、光学窓のカバーを閉じたままにする、あるいは衛星の姿勢を調整して光学系を常に「日陰」に置く運用が採られます。アウトガスの放出率が指数関数的に低下するのを待ち、ガスの密度が安全圏に下がってから初めて「日光」に晒すという、時間軸でのリスク回避が重要です。

5：海外の「現場レシピ」と検証の証拠

宇宙開発のスピードとコスト競争が加速する中、S社（北米の航空宇宙基板メーカー）やT社（宇宙ベンダー向け短納期実装メーカー）といった海外企業は、確実性と効率を両立させた「動的な工程管理」を確立しています。

5-1：IEST基準とTQCM（水晶振動子マイクロバランス）

IEST（Institute of Environmental Sciences and Technology / 環境科学技術研究所）が推奨するプロセスでは、ベイクアウトの終了を「あらかじめ決めた時間」ではなく、物理的な「収束データ」で判定します。

5-1-1：TQCMによるナノグラム単位の監視と収束判定

TQCM（Thermoelectric Quartz Crystal Microbalance）は、水晶振動子の周波数変化を利用して、その表面に付着した極微量の質量を捕捉するセンサです。文字化された図解で監視プロセスを説明すると、真空槽内のコンポーネントが加熱されるに従い、放出されたガスがTQCMの検知面に付着し、グラフ上の「質量増加曲線」が急峻に立ち上がります。時間の経過とともにこの曲線の傾き（質量増加率）が水平へと近づきます。

具体的な判断指標: 海外の多くのプロジェクトでは、TQCMの温度を実際の光学系運用温度（例：-20℃）に設定した状態で、質量増加率が $1 \times 10^{-9} \text{ g/cm}^2/\text{hr}$ （1ナノグラム/平方センチメートル/時間） を下回った時点を収束と見なします。これにより、「まだガスが出続けているのに焼成を終えてしまう」リスクや、逆に「既にガスは出尽くしているのに無駄に加熱を続ける」工期ロスを、客観的な数値で排除します。

5-2：ウィットネスプレート（Witness Plates）による事後評価

計測器によるリアルタイム監視に加え、実際の光学素子への影響を物理的に確認する「ウィットネスプレート（監視用ミラー）」の運用も、海外の標準的な品質保証フローに組み込まれています。

5-2-1：合否判定の具体的な指標

ベイクアウト中、評価対象のコンポーネントの近くに、高精度に研磨された「監視用ミラー」を同席させます。ベイクアウト完了後、このミラーを回収し、以下の検査を行います。

反射率・透過率の減衰: 特定の波長（特に紫外線域や真空紫外線域）において、透過率が 0.5%以上低下している場合は、目に見えない薄膜状の汚染が付着したと判断し、洗浄や再ベイクアウトを検討します。
双方向反射分布関数（BRDF）測定: ミラー表面に光を当て、散乱光の強さを測定します。アウトガスが微細なドロップレット（液滴）状に付着すると、光の散乱が増加し、BRDFの値が悪化します。これは迷光（Stray light）の原因となるため、光学設計者にとって極めて重要な「不合格」の根拠となります。

5-3：具体的なPCB Pre-bake（基板の事前加熱）レシピ

S社やT社などが実践している、多層基板の信頼性と低アウトガスを両立するための具体的レシピを整理します。

標準設定: 110℃ ～ 120℃ / 24時間～ 48時間。
物理的トレードオフの管理: JAXA共通技術文書で例示される125℃という温度は、アウトガスの除去には適していますが、多層基板に使用される樹脂（プリプレグ）のガラス転移温度（$T_g$）に接近するため、基板に過度な熱ストレスを与えます。110℃程度で「時間をかけて焼く」手法は、樹脂の結合を破壊せず、かつ内部に残留した水分や未反応のモノマーを穏やかに拡散・放出させるための、現場の知恵が生んだ最適解です。
真空併用の効果: 可能であれば大気圧下ではなく、低真空（数Pa程度）下でベイクを行うことで、分子の平均自由行程を伸ばし、基板深部からの脱ガスを飛躍的に効率化させます

6：ベイクアウト後の「リ・コンタミネーション（再汚染）」対策

どれほど完璧にベイクアウトを完了させても、その後の保管、試験、輸送の過程で汚染が復活する「リ・コンタミネーション（Re-contamination）」のリスクが常に存在します。

6-1：樹脂梱包材からのアウトガス吸着の防止

一般的なクリーンルームで使用されるプラスチック容器（タッパー等）や、帯電防止樹脂バッグ（ポリエチレン等）は、それ自体が微量のアウトガス源となります。

6-1-1：アルミ箔（Alumi-foil）による物理的バリア

ベイクアウト済みの精密部品を保管する際は、樹脂バッグに入れる前に、脱脂洗浄済みの「アルミ箔」で二重に梱包することが世界的なスタンダードです。文字化された図解で説明すると、アルミ箔の結晶構造は有機分子を一切通さない完璧なバリア層として機能します。これにより、外側の梱包材（樹脂バッグ）から発生するガスが内部の部品に吸着することを物理的に遮断します。

6-2：梱包材の事前ベイク（Pre-conditioning）

特に高感度な観測機では、コンポーネントを直接包むアルミ箔や、緩衝材、治具に対しても事前に真空ベイクアウト（Pre-conditioning）を施します。

6-2-1：極限のクリーン環境を維持するロジック

「汚染源を断つ」という論理を徹底するためには、梱包環境そのものをアウトガス・フリーにする必要があります。上長や顧客に対し、この工程の工数を説明する際は、「ベイクアウトという高コストな投資を、配送中のわずかな『移り香』で無駄にしないための保険」であると論理づけることが極めて有効です。

7：光学設計者が主導する「多部署連携」のロジック

本稿で解説したリスクを回避するためには、光学設計者がハブとなり、他部署と共通の物理言語で対話する必要があります。

7-1：構造設計担当者への要求

分子の移動経路を遮断する視界因子の最小化を要求します。ラビリンス構造の導入は重量増を招きますが、それが不可逆な着色膜を防ぐ唯一の障壁であることを、パス解析の結果とともに共有します。

7-2：熱設計担当者との連携

ミッション初期に光学検知面を周囲より高く保つ「汚染防護ヒーター運用」を提案します。これを熱モデルに組み込んでもらうには、蒸気圧曲線に基づく氷結リスクの定量的提示が欠かせません。

7-3：運用担当者とのすり合わせ

太陽光との遭遇を避ける姿勢制御要求を、電力や通信の制約とすり合わせながら、アウトガス密度が安全圏に下がるまでの「待機期間」を運用計画に確立させることが、光学設計者の最後の務めとなります。

参照ページ

1. 宇宙機汚染制御の「バイブル」・標準規格

NASA Technical Reports Server (NTRS)
- タイトル: NASA-HDBK-6022: Spacecraft Contamination Control Handbook
- 検索ワード: NASA-HDBK-6022, Spacecraft Contamination Control Handbook
- 内容: アウトガスの物理、排気方向（Venting Direction）の設計、光重合のメカニズム、TQCMの運用など、世界標準の知見が網羅されています。
- URL: https://ntrs.nasa.gov/ (サイト内でID 20130010174 を検索)
NASA Standards
- タイトル: NASA-STD-6016: Standard Materials and Processes Requirements for Spacecraft
- 検索ワード: NASA-STD-6016, TML CVCM 1.0 0.1
- 内容: 材料選定の合格基準（TML 1.0%以下、CVCM 0.1%以下）の根拠となる標準文書です。

2. 国内の技術基準・材料データベース

JAXA共通技術文書 / 宇宙開発利用部
- タイトル: JAXA-QTS-2000 (共通仕様書), MATES (材料データベース)
- 検索ワード: JAXA MATES, JAXA アウトガスデータベース, JAXA-QTS-2000
- 内容: 日本の衛星開発における「聖典」です。WVRの定義や、ソルリシ、アーラルダイト等の国内実績材料の試験データが確認できます。
- URL: https://sapc.jaxa.jp/ (JAXA宇宙用部品・材料データ提供システム)

3. 光学設計・物理メカニズムの詳細ソース

SPIE Digital Library
- タイトル: Contamination control of space optical instruments
- 検索ワード: SPIE Contamination control space optics, Molecular Baffles design
- 内容: 光学系の透過率劣化（MTF低下）の具体的な実験データや、ラビリンス構造、コールドトラップの設計手法に関する学術論文が豊富です。
- URL: https://www.spiedigitallibrary.org/
Braeunig.us (Rocket & Space Technology)
- タイトル: Spacecraft Environment - Outgassing and Contamination
- 検索ワード: Braeunig space systems engineering outgassing
- 内容: 個人の専門ブログですが、エンジニアリングの現場視点での「光重合（Photopolymerization）」の失敗例やリスク解説が非常に詳しく、実務者の間で引用されます。
- URL: http://www.braeunig.us/space/envir.htm

4. 海外ベンダーの実践的ベイクアウト・レシピ

Sierra Circuits (S社)
- タイトル: How to Solve Outgassing Problems in PCB Assembly
- 検索ワード: Sierra Circuits PCB Outgassing
- 内容: 基板の事前加熱（Pre-bake）に関する110℃〜120℃の具体的な時間設定や、層間剥離（Delamination）対策の知見。
- URL: https://www.protoexpress.com/
Tempo Automation (T社)
- タイトル: Understanding and Preventing PCB Outgassing
- 検索ワード: Tempo Automation Outgassing
- 内容: 短納期実装の観点から、効率的な脱ガス工程と信頼性担保のバランスについての解説。
IEST (Institute of Environmental Sciences and Technology)
- タイトル: Contamination Control for Space Applications
- 検索ワード: IEST-STD-CC1246D, TQCM monitoring bakeout
- 内容: 5項で触れたTQCMによる終点判定や、ウィットネスプレートによる評価基準の公的ガイドライン。

5. 失敗事例（Lessons Learned）

NASA Lessons Learned Steering Committee
- タイトル: Spacecraft Contamination Lessons Learned
- 検索ワード: NASA Lessons Learned outgassing venting, MAVEN contamination lessons
- 内容: 火星探査機MAVENや過去の通信衛星での排気方向ミスなど、生の失敗データが蓄積されています。
- URL: https://llis.nasa.gov/