高真空下にさらされた液体光重合樹脂の評価

液状接着剤でつくる宇宙用機材

将来の多くの宇宙ミッションでは、大型アンテナやブーム、ソーセイルなどを地上で組み立てて打ち上げるのではなく、軌道上で直接構築することが想定されています。有望な手法のひとつは、光で硬化する特殊な液状接着剤（光重合体）をノズルから押し出して照射により強固な構造を形成することです。しかし、宇宙のほぼ完全な真空環境では、液体が沸騰したり挙動が予期せぬ形で変化したりする可能性があります。本研究は実用的な問いを投げかけます。市販の光重合性樹脂のうち、過酷な宇宙に近い真空条件に耐え、信頼できる構造材料として機能するものはどれか？

真空が粘着性液体に厳しい理由

軌道上の工作空間では、これらの樹脂は極めて低い圧力下で液体として取り扱われます—地上の工業用真空よりはるかに低い圧力です。そのような条件では、樹脂中の揮発性の小さな分子が脱離します。そうした成分の損失は液体を濃くし、光による硬化を遅らせたり弱めたりし、最終的な固体の剛性を低下させる原因になります。脱離した蒸気がカメラや太陽電池などの感度の高い表面に凝縮することもあり、これが汚染と呼ばれる問題です。したがって宇宙機関は、真空下で質量をほとんど失わず凝縮性蒸気を放出しない「低アウトガス」材料を求めます。

4種類の候補樹脂を宇宙風の試験にかける

研究チームは、工業用の接着剤やコーティングとして既に使われている市販のUV硬化性樹脂4種を選びました。これにはDeloの高性能エポキシ2種、Polymer‑Gのファイバー強化エポキシ、Loctiteのアクリレートウレタンが含まれます。まず各樹脂を「そのままの状態」で液体および硬化後の挙動を測定しました。次に、液体状態のまま室温で24時間の高真空にさらし、軌道での加工条件を過酷だが管理された形で模擬しました。この処理後、粘度（液体の流動性）、紫外線や加熱下での硬化効率、温度に対する固体の剛性、そしてどれだけ物質が蒸発したかを再測定しました。

空気を取り去ると何が変わったか

予想通り、4種とも高真空下で粘度が高くなりました。これは混合物中の最小分子が蒸発した結果です。3種では粘度が中程度に増加（約4〜34%）しましたが、Loctiteの1種は薄い液体からゴム状のゲルに変化し、同じ計測器では測定できなくなりました。光硬化の挙動も変化しました：あるDeloの樹脂は真空処理後、同じ硬化深さに到達するために何倍ものUVエネルギーを必要とし、光感受性の主要成分の一部が失われたことを示唆します。対照的に、Polymer‑Gの樹脂とDeloのもう1つの処方は、真空前後でほぼ同じ硬化挙動を示し、より堅牢な組成であることをうかがわせました。

最終的な固体の強度と清浄性はどう残ったか

硬化後、樹脂は小さな梁状の試片として加熱しながら優しく曲げて試験されました。すべての材料で温めると「後硬化」が進み、内部ネットワークがさらに結合して剛性が増す挙動が見られました。真空処理後、いくつかの樹脂はある温度域で剛性を概ね3分の1ほど失いました。これは蒸気が抜ける際に微小な空洞や気泡が生じたためと考えられます。それでも、軟化が顕著になる転移温度は4種のうち3種でほとんど変わらず、基礎となる化学組成は大きく損なわれていないことが示唆されました。アウトガス試験はより混合した結果を示しました：液体はすべて高温真空下で1%以上の質量を失いましたが、硬化後のDeloの2種は宇宙汚染の標準限度を安全に下回る一方で、残る2つの硬化系は基準を超えました。

宇宙での構築に最も有望な接着剤の選定

実装者の観点から見ると、結果は慎重に楽観的です。本研究は、Delo Katiobond GE680とPolymer‑G EPV9511の2材料が、適切な事前脱気（封入空気や揮発性成分の除去）を行い、印刷や接合時の真空曝露時間を制限すれば、宇宙内製造の実用候補として際立っていると結論づけています。両樹脂は攻撃的な24時間真空処理後も硬化可能であり、固体状態での剛性はやや低下したものの構造用途に十分な水準を保ちました。他の2種は過度の質量損失、著しい粘度増大、または高温での剛性が不安定であり、軌道上でのハードウェア構築には不適切でした。総じて、この研究は液体光重合体を宇宙工場向けに評価するための初めての系統的なロードマップを提供し、真空中で大型構造物を“3Dプリント”するという発想を現実に一歩近づけます。

引用: Kringer, M., Pimpi, J., Sinn, T. et al. Screening of liquid photopolymer resins exposed to high-vacuum. npj Adv. Manuf. 3, 5 (2026). https://doi.org/10.1038/s44334-025-00066-5

キーワード: 宇宙内製造, 光重合樹脂, 高真空, 放出ガス（アウトガス）, 宇宙構造物