研究の概要
人工衛星等の宇宙機の外表面には、断熱のため、高分子フィルムを積層した多層断熱材（MLI：Multi-Layer Insulation）が広く使用されています。多層断熱材の最外層には、耐熱性、耐放射線、耐紫外線性に優れるポリイミドフィルムが主に使われます。 一方、国際宇宙ステーションや地球観測衛星等が飛行する地球低軌道環境（例えば高度700km以下）には、原子状酸素（AO：Atomic Oxygen；太陽の紫外線で原子状に解離した大気由来の酸素）が多く存在し、これとの衝突によってポリイミドを含む高分子材料は 浸食されてしまいます。原子状酸素からの保護を目的として、ポリイミド表面には原子状酸素に耐性を有する酸化物（シリカ等）や金属膜をコーティングすることが一般的ですが、これらの膜は小さな割れの発生など、損傷しやすい欠点があります。 原子状酸素は非常に小さいため、細かな割れにも侵入し、ポリイミドフィルムを浸食してしまいます（図1）。
B. A. Banks, K. K. de Groh and S. K. Miller, “Low Earth Orbital Atomic Oxygen Interactions with Spacecraft Materials”, Materials Research Society Symposium Proceedings, 2004.
そこでJAXAでは、新しいシリコン系材料であるシルセスキオキサン誘導体（SQコート）を耐原子状酸素コーティングとして、ポリイミドを始めとする宇宙用材料に適用する研究開発を行っています。 シルセスキオキサンは、シリコーン（有機的）とシリカ（無機的）の中間的性質を有する有機－無機ハイブリッド材料です。
表1のとおり、耐環境性と柔軟性・施工性（密着性）のバランスが良いため、施工しやすく、割れにくいながらも、 放射線、紫外線等の宇宙環境に耐性にも優れる理想的な耐原子状酸素コーティングとして期待でき、宇宙環境を模擬した各種地上試験（原子状酸素、紫外線、電子線等の照射）でも、その優れた特性が確認されています（図2、3）。 また、宇宙用の高分子材料として問題となりやすいアウトガス（真空中にガスが揮発する現象。周囲を汚染させるため問題となる）も非常に少ないことも試験で確かめられました。
| （酸化物型） シリカ |
シルセスキ オキサン |
（高分子型） シリコーン |
|
|---|---|---|---|
| 基本単位 | SiO2 | RSiO3/2 | R2SiO |
| 環境耐性 | 優劣 | ||
| 柔軟性施工性 | 劣優 | ||
また、このコーティングは液状で塗布でき、紫外線照射によって硬化させることが可能です。従来の酸化物系コーティングは、スパッタリング装置中での成膜が必要でしたが、本コーティングは複雑形状や他品種小部位への適用、 さらには宇宙機組立て中の補修等にも、活用が期待されます。
シルセスキオキサンに原子状酸素が照射されると酸化し、照射面にシリカ（SiO2）の酸化膜を形成します（図４）。このシリカ酸化膜の耐原子状酸素性によりポリイミドフィルムは浸食から免れます。
VLEO衛星設計に貢献する新しい保護膜の開発に成功
宇宙航空研究開発機構（JAXA）は、大阪大学産業科学研究所、神戸大学との共同研究において、人工衛星の表面を、原子状酸素（Atomic Oxygen、AO）※1の衝突による劣化から保護する宇宙用コーティング材料の新規開発に成功しました。
地上高度300 km以下の超低地球軌道（Very Low Earth Orbit、VLEO）は、高解像度の地球観測や低遅延のデータ通信を低打上げコストで実現し得る点で、その衛星利用に注目が集まっています。しかし、残留大気の密度が著しく高く、その主成分であるAO※1による有機材料※2の深刻な劣化が懸念されています。
本研究では、耐AO性をもつ有機材料用のコーティングとして、かご型シルセスキオキサンPolyhedral Oligomeric SilSesquioxane、POSS）※3に着目しました。アルキル置換POSS※4は、AO環境への曝露で表面に無機シリカ層を形成するため、耐AO性が高いことがわかっています。しかし、融点が低く、宇宙機で要求される耐熱性との両立が課題でした。そこで今回、POSSの有機部位に、水素結合を形成できるアミド基を導入したところ、塗布製膜性を維持しながら耐AO性と耐熱性を同時に向上できることが明らかとなりました（下図）。
（出典：Yukumatsu, K. et al. Prog. Org. Coat. 2026, 219, 110310の図を翻訳し、一部加筆して作成）
VLEOにおける高密度の残留大気は大きな大気抗力※5をもたらすため、衛星の軌道高度保持が難しく、JAXAではVLEO衛星の長寿命化に向け、大気抗力を抑制可能な衛星設計を検討しています。新規アミドPOSS膜の表面は、AO環境への曝露後もナノスケールでの平滑性を保持しており、VLEO衛星における大気抗力の抑制※6にも有力である可能性が示唆されています。新規アミドPOSS膜のVLEO衛星への適用に向け、今後もさらに研究開発を進めていきます。
本研究成果は、2026年6月5日（現地時間）に、オランダの出版社Elsevierの学術雑誌「Progress in Organic Coatings」電子版に掲載されました。
論文情報
- タイトル：Effect of Introducing Amide Groups into Alkyl Side Chains of POSS for Thermally Stable and Atomic-Oxygen Resistant Coatings
- 著者名：Yukumatsu, K.; Yokoyama, S.; Goto, A.; Maruyama, M.; Matsumoto, M.; Tagawa, M.; Kimoto, Y.; Ie, Y.
- DOI：https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2026.110310
研究助成
本研究は、JST研究成果最適展開支援プログラムA-STEP産学共同（JPMJTR24T9）、JSPS科研費（JP21K04484）、文部科学省「マテリアルリサーチインフラ」事業（JPMXP1225AT0190）、NIMS Open Facility表面・バルク分析ユニットの支援によって行われました。
用語解説
- 原子状酸素（AO）：
酸素分子（O2）が、太陽からの紫外線により解離して生じる単原子の酸素。低地球軌道（low Earth orbit、LEO）やVLEOの残留大気の主成分で、衛星と衛星の周回速度（約8 km/s）で衝突することで、有機材料の酸化や浸食をもたらします。 - 有機材料：
熱制御、構造、接着などを目的として衛星に用いられる有機材料。 - かご型シルセスキオキサン（POSS）：
ケイ素（Si）と酸素（O）からなるかご状の無機骨格をもつ、有機-無機ハイブリッド材料。 - アルキル置換POSS：
POSSの有機部位として、アルキル基を導入したもの。 - 大気抗力：
大気中を周回する衛星が、大気成分と衝突することで受ける、衛星周回方向と平行かつ逆向きの力（分力）。 - 大気抗力の抑制：
大気の材料表面での多段散乱に伴う、大気抗力の増大を抑制します。
耐原子状酸素コーティングのこうのとり3号機搭載について
耐原子状酸素コーティングは2012年7月21日に打ち上げられた、こうのとり（HTV）3号機の機体識別マーク（日の丸とロゴ（HTV3、JAPAN））の保護材として採用されました。機体識別マークは、こうのとり3号機の推進モジュール（進行方向最後方；写真1）と、曝露パレット（写真2）に取り付けられています。曝露パレットがISSに係留される長期間にわたって、その外観を維持し続けることが期待されています。
