2016生態工学会年次大会 参加報告

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6月24日、25日に宮崎で開催された生態工学会年次大会、及び「生態工学会 若手の会」のSICLE勉強会に参加致しましたので、特に印象に残ったものとして以下の内容を挙げます。

参加日時: 2016年6月24日(土)
場所: 宮崎グリーンスフィア壱番舘
主催: 生態工学会

■宇宙居住のための空気再生に関する研究(JAXA 桜井誠人)
 ISSの次のステップとして月近傍ミッションを目指しているという事で、NRO(Near Rectilinear Orbit)の紹介がありました。NROは地球と月を周回する軌道の事で、地球からほとんど可視になるそうです。
 発表内容は生命維持システム(CO2除去装置、O2製造装置等)の開発状況と将来展望で、2つ質問が出ました。1つは植物をECLSSに取り込まないのかという質問で、現状ISSでも一人分くらいの酸素は植物から供給したいとの事でしたが収支の計算が難しい為、中々実現していないとの事です。植物から酸素を確保する目処が立てば、積極的に生命維持システムに取り込みたいという事でSICLEの出番かもしれません。2つ目の質問はサバティエ反応で生じるメタンを活用できないかという事でしたが、桜井さんの回答は圧縮すれば燃料くらいには使えるかもという事でした。

■宮崎の日照を生かした太陽エネルギー利活用技術(宮崎大学 西岡賢祐)
 宮崎県は年間日照時間と年間降雨量が共に全国トップクラスの県で、太陽光発電には優れている場所です。日照時間が多いというのは直観的ですが、降雨量も重要になってくるのは太陽電池の表面についた汚れを自然に洗い流してくれるからです。
 西岡先生の研究内容はいかに効率よく発電するかで、以下の取組により世界トップレベルの変換効率で水素の製造に成功したそうです。

・太陽光追尾
・集光型太陽光発電
・反射防止兼防汚コーティング

 太陽光追尾は文字通り、太陽を追尾するシステムです。通常の固定式だと朝夕は太陽光の角度が浅いため発電効率が落ちますが、太陽追尾システムは太陽を追尾するため極端な発電効率の低下を防げます。
 集光型太陽光発電はレンズで光を集光する事により、太陽電池の使用面積を減らし、高価な高性能太陽電池で発電するというものです。

 反射防止兼防汚コーティングは、超親水性のシリカベースの塗布剤を太陽電光の表面に塗布する事で発電効率低下の原因のひとつである、光の反射と汚れを防止するそうです。太陽電池表面の塗布は実際大変だったみたいですが、現在は掃除ロボットのルンバ的なもので塗布しているとの事でした。

■生態工学会 若手の会のSICLE勉強会
SICLEを説明する立場として、SICLEのデモを行いました。
興味を持ってくれた学生さんはいましたが、来年就職するという事で深く関わる事は出来なさそうです。引き続き、若手の会のリーダーの木村さんを中心にSICLEを使って頂き、意見交換できたらと思います。

三重大の加藤先生から、SICLEのExecuterである「Conversion」について、人間の「消化」処理のインプットが「food」と表現されており、食物の平均値をとっているのは分かるが、食材の偏りによって、消化スピードに変化が出てくると思うので、その揺らぎを表現できれば面白いかもとご意見を頂きました。

以上。
報告:大浦

ロボット研究会について

現在のSSDは、ソフトウェア開発が主な業務となっています。 ロボット研究会は、ソフトウェア開発ばかりでなく、ハードウェアの開発などもやってみたい、という社員が集まり立ち上がりました。 研究会の名称は「ロボット研究会」となっていますが、対象としているのはロボットに限らず、様々なものに興味を持ち研究、 開発の対象としています。

直近では、準天頂衛星を使用した「GPS・QZSSロボットカーコンテスト2015」への参加を通して、Raspberry Pi (小型コンピュータ)やGPS受信機を使用したシステムの開発経験を積みました。

aboutRobot-robot_car1.JPG

さらに、2016年はドローンの開発にも着手しました。

aboutRobot-drone1.JPG このように、さまざまなものを対象としてはいますが、やはり宇宙開発を担っている会社の研究会なので、いずれは宇宙開発に関連したロボットなどへとつなげられれば良いと考えています。

About ECLSS Research Working Group

ECLSS

50 YEARS or more have passed since the first human trip into space, and research and development of Environmental Control and Life Support System, ECLSS, corresponding to various missions have been carried out. Some detailed studies of long duration missions were performed as early as the 1960's and 1970's. Different mission scenarios, such as short term and long term missions, are reflected in the ECLSS design, and the most appropriate ECLSS is different for each mission.

At present, human beings at the International Space Station, ISS, can remain in space for a long term with ECLSS recycling water and oxygen. In the future, examination, research, and development of new life support systems will be required in preparation for exploration of the lunar outpost and manned Mars exploration. As for the development of ECLSS corresponding to these missions, the scale expands and becomes complex, and controlling whole resource recycling becomes more important. A short term mission can use a simple ECLSS that does not perform resource recycling, whereas a long term mission, such as the ISS or a manned Mars exploration, needs resource recycling to reduce resupply, storage requirements and cost.

SICLE

For supporting these investigations, we are developing new simulation software called SImulator for Closed Life and Ecology, SICLE, which simulates resource recycling and control of the ECLSS. At present, SICLE has operability and expandability, and it is able to help study of closed ecosystem. In addition, we have been improving SICLE to fit for other fields such as logistics.

Resource recycling in the ECLSS is to recycle substances that are needed for human activity and emission matters by utilizing plants and physicochemical devices. Water, oxygen, carbon dioxide and nitrogen are the main component substances. Though some simulators that can simulate resource recycling have been released in the past, we have been developing a simulator with the three following features to accommodate research and development of more diversification and complex life support system.

First, it is important to use a design concept that is based on scientific results. SICLE is a simulator designed based on the scientific results that have supported research of advanced life support system in a real ECLSS research facility, CEEF.

Second, it is important to have an interface that attached importance to direct operability. In a life support system that a large variety of resources and devices cooperate complicatedly, it is important to cognize the detail setting of each device from grasp of system perspective visually and easily. Therefore, SICLE enables a selection operation of the device by icons and making of block diagrams for a designer can design systems easily. In addition, we can grasp and trace the process of simulation visually and change the status such as a device stop and trouble even though SICLE is running.

Finally, it is important to be a software structure including expandability. In order to enable inserting various devices in simulation, SICLE provides a function to easily model various resource recycling systems such as producing and implementing user defined new device and human beings-plant model. Furthermore, SICLE adopts a class structure and algorithm including expandability for applicable to other field.

SICLE provides ECLSS simulations, which can consistently carry out system design, simulation practice and data analysis. It can confirm and grasp a state of simulation anytime. You can easily set up system and change parameters, and can execute and analyze the simulation of various patterns.

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SICLE Design View Window
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SICLE Progress View Window
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SICLE Report View Window

MDRS

The Mars Desert Research Station (MDRS), which is owned and operated by the Mars Society, is a simulated Mars Analogue Research Station in the Utah desert. As the member of the Team NIPPON that consisted of researchers from Japan who conducted a mission at the MDRS as Crew 137 from March 1 to March 15, 2014 and as Crew 165 from March 5 to March 20, 2016, we collected valuable data for further development of SICLE simulations. The crew handled a strong request for conserving water during the MDRS mission through carefully planned cooking and dish washing and reducing showers and toilet flushing. Meanwhile, the measurement of the amount of water supply and drainage was one of the significant research items on this mission, which consequently provided invaluable data of water consumption required for living with a restricted water supply for two weeks.

Inspiration Mars Mission Design Winner Team Kanau

In the summer of 2014, The Mars Society held an international student design competition, Inspiration Mars Student Design Contest. Inspiration Mars is a manned spaceflight mission to Mars driven by Inspiration Mars Foundation. The main concept described in its architecture study report and feasibility analysis paper is sending two Americans, one male and one female, into free-return orbit to Mars in 2018 so that the journey takes only 501 days owning to the special orbital positioning between Earth and Mars. Team Kanau is one of the student competition entry groups that consisted of students and young professionals from Japan and U.S. Team Kanau's mission design won the first prize in the final presentation. Since ECLSS analysis is the key factor of this long duration mission design, we collaborated with Team Kanau to determine an optimal system design, especially to decide the size of recycling tanks, offering SICLE as its simulation software.

ECLSS研究会について

■ECLSS研究会について

宇宙には人間が生きてく上で必要な空気や水、食料などは存在せず、地球から必要な物資を運んでいく必要があります。しかし運搬可能な物資の量には限りがあるため、可能な限り物資や資源の再利用を図ることが重要です。そこで宇宙では環境制御・生命維持システム(Environmental Control and Life Support System, ECLSS)によって、資源の再利用を実現しています。この仕組みは、地球上における人間を中心とした自然界の物質循環サイクルを基にしています。つまりECLSSにおける物質循環とは、人の生活において排出される呼気や排泄物を、植物や物理化学装置を利用して再循環させることで、人が生活する上で必要な空気や水、食料などとして再生し、物資の供給を補おうとする仕組みで、水・酸素・二酸化炭素・窒素が主な構成物質です。

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人間を中心とした自然界の物質循環サイクル

人類が宇宙に進出してから50年以上が経ち,様々なミッションに対応した生命維持システムの研究開発が行われてきました。現在の国際宇宙ステーションにおいては、生命維持システムによって水や二酸化炭素の再生を行いながら、人間が宇宙に長期滞在できるまでになってきています。しかし将来の月面基地や有人火星探査に向けて、新たな生命維持システムの検討や研究開発をより加速していく必要があり、一方で生命維持システムの規模が拡大し、複雑化するにつれ、システム全体の物質循環制御が重要になってきました。また外部からの補給が必要無い、完全な閉鎖生態系における物質循環サイクルを実現した生命維持システムは、制御型生態系生命維持システム(Controlled Ecological Life Support Systems, CELSS)といい、人類が宇宙への移住を果たすためには、ECLSSをミニ地球と呼べるCELSSにまで発展させる必要があります。

ECLSS研究会では、宇宙における生命維持技術の研究を支援するため、ECLSSやCELSSの物質循環と制御を模擬するシミュレータ(SImulator for Closed Life and Ecology, SICLE)の開発に取り組んでいます。また有人宇宙開発研究の一環として、火星砂漠研究基地における模擬居住実験への参加や、有人宇宙飛行計画の設計、学会参加/発表などを行っており、更に地球上での課題解決など地球へのフィードバックとして、他分野へのSICLEの応用なども進めています。

■活動内容

SICLE設計/開発

ECLSSの物質循環と制御を模擬するシミュレータSICLEの設計/開発を行っています。SICLEは、MDRS及びInspiration Marsの2つの火星ミッションモデルに適用し、ECLSSの設計評価と、有人ミッション設計の支援ツールとしての有効性を確認しています。今後は SICLEの活用域を広げるべく様々なミッション例にも適用し、さらなる発展を目指していきます。

スクリーンショットMDRS設計画面.png
SICLEの操作画面イメージ

MDRS参加

SICLEにおけるシミュレーションモデルの検証、及び有人火星探査における居住環境の調査のために、アメリカユタ州にある有人火星砂漠研究基地(Mars Desert Research Station, MDRS)における2週間の模擬居住実験に、TeamNIPPONのメンバーとして参加しています。

Crew137(2014/3/1~2014/3/15)

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Crew165(2016/3/5~2016/3/20)

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Inspiration Marsコンペティション優勝

米国の火星協会が主催した有人火星ミッション設計の国際学生コンテスト(International Inspiration Mars Student Design Contest)に、日米合同チームTeam Kanauの一員としてECLSS研究会メンバーが参加し、見事に最優秀賞を獲得しました!ミッションデザインにおけるECLSSシステムの設計ではSICLEを活用し、積載する物資量や搭乗員の日々の活動スケジュールの設計を行いました。また、研究会で得たELCSS知識を生かし、安全性にも考慮された最適なECLSSシステムの提案を行いました。

防災シミュレータ開発

汎用的な分散制御システムとしての土台を持つSICLEを、地球上での課題解決や技術供与に貢献するべく、その他分野への応用を進めています。その一環として、東京都中小企業振興公社の平成27年度先進防災技術実用化支援事業助成金に、SICLEを発展させた防災シミュレータ開発事業として応募し、見事その対象事業として採択されました。現在SICLEの拡張機能として、防災シミュレータの開発を進めています。

学会発表

・45th International Conference on Environmental Systems(2015) New ECLSS Simulation Software and Its Demonstration by Manned Mars Missions

・第58回宇宙科学技術連合講演会(2014) SICLEによる有人火星ミッションの物質循環シミュレーション

・2014年度生態工学会年次大会 SICLEによる火星ミッションの物質循環シミュレーション

・2013年度生態工学会年次大会 物質循環制御システム研究開発用シミュレータSICLEの開発

・日本地球惑星科学連合2013年大会 物質循環制御システム研究開発用シミュレータSICLEの開発(ポスター発表)

・第56回宇宙科学技術連合講演会(2012) 物質循環制御システム研究開発用シミュレータSICLEの開発

・2012年度生態工学会年次大会 物質循環制御システム研究開発用シミュレータSICLEの開発

■SICLE

SICLEは、グラフィカルユーザーインターフェースによる直観的な操作性と、基本モデルをベースに様々な機能を追加できる拡張性の高い仕組みを有した、物質循環制御システムの研究開発用シミュレータです。

SICLEの特徴

1. 学術的研究成果に基づく設計思想

SICLEは、青森県六ケ所村の閉鎖型生態系実験施設(CEEF)における先端生命維持システムの研究を、物質循環モデルを模擬する支援をしてきた学術的成果をベースとして設計されたシミュレータです。

2. 直観的な操作性を重視したインターフェース

多種多様な物質・装置が複雑に連携する生命維持システムにおいては、システム全体像の把握から各装置の詳細設定までを、視覚的かつ簡易に認識できることが肝要です。従って、設計者が容易にシステム設計をできるように、アイコンによる装置の選択操作とブロック図の作成を可能にしました。またシミュレーション経過を視覚的に把握・追跡し、実行中でも装置停止・故障等のステータス変更を可能にしています。

3. 拡張性を有するソフトウェア構成

既に世界中には様々な種類の物質再生・循環を担う装置が存在しています。シミュレーションにおける多様な装置の取り込みを可能にするため、ユーザー定義による装置の作成、人間・植物モデルの導入など、様々な物質循環システムを容易にモデル化するための機能を提供しています。さらに他の分野に応用可能なように、拡張性を有するクラス構造とアルゴリズムを採用することで、生命維持システムに留まらない、様々な全体制御システムや分散制御システムの観点からの制御理論も、組み込み可能な汎用的なシミュレーションツールを目指していきたいと考えています。

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SICLE設計画面
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SICLE経過画面
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SICLE履歴画面

今後、多様化・複雑化していく生命維持システムの研究開発に対応していくため、システム設計・シミュレーション実行・データ分析まで、一貫してサポート可能なソフトウェアツールを目指していきます。

科学技術計算研究会について

科学技術計算研究会では地球観測衛星を運用するうえでの観測計画の 立案について、数値計算シミュレーションのソフトウェアを研究開発することで、 より高度で効率的な運用ができることを目指しています。

  1. 軌道決定

    人工衛星の軌道を計算推定するためには、衛星がいつ、どこにいたか、という 初期位置の情報が必要となります。この初期位置の情報をGPSなどの観測データから 予測する技術を軌道決定と呼び、より高度な軌道決定のための研究を進めています。

  2. 軌道伝搬推定

    初期値を定めた後に衛星が今後いつ、どこを飛んでいくかという、未来の 軌道について予測することを軌道推定と呼びます。衛星の軌道には地球の 重力場の偏りや、大気抵抗、太陽輻射圧など、様々な要因が絡んできますので、 それらを考慮した高精度な軌道推定を目指しています。

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    軌道推定例の軌跡
  3. イベント予測

    推定した軌道をもとに、衛星が地上局と通信できるのはいつなのか、センサの 校正タイミングはいつなのか、など運用に関わるイベントの発生時刻を予測する 技術をイベント予測と呼び、より多くの衛星に対応した、多種類のイベントの予測を実現します。

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    衛星軌道の直下点軌跡の例
  4. 最適化立案

    推定した軌道をもとに衛星がいつ、どこを観測できるかをシミュレーションして、 どのような観測計画を立てればもっとも効率的に多くの写真が撮影できるかを 自動で最適化するアルゴリズム技術の研究を進めています。

過去のライブラリ開発実績

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※全てJavaによるライブラリとしての開発