イリジウムとその航空宇宙用途：極限環境金属

はじめに

イリジウムは世界で最も驚異的な元素のひとつであり、希少で弾力性があり、ほとんど破壊されない。銀白色の輝きと高い物理的安定性により、この金属は長い間、科学者や技術者を魅了してきた。周期表では記号Ir、原子番号77で表され、白金、ロジウム、パラジウム、オスミウム、ルテニウムからなる白金族金属（PGM）のひとつに分類される。

イリジウムは、地殻中に100万分の0.001しか存在しないにもかかわらず、融点、耐食性、硬度といった特殊な特性を兼ね備えており、特に航空宇宙技術など、劣化の可能性を超えて生き残るものが求められる最も過酷な環境で応用されている。

イリジウムの特性：比較にならない金属

イリジウムの物理的・化学的特性は、他の金属の追随を許しません。融点は2,446 °C、沸点は約4,500 °Cで、最も耐火性の高い金属のひとつである。密度（22.56g/cm³）はオスミウムに次いで2位で、単位体積あたりの質量と強度が記録的である。

化学的には、イリジウムは極めて不活性である。高温でも酸や酸化、ほとんどの腐食性物質による腐食に耐える。ほとんどの金属とは異なり、大気中で変色したり、酸や水と容易に反応したりしないため、人類が知る限り最も耐腐食性の高い材料のひとつというニックネームがついています。

機械的には、イリジウムはそのままの状態では硬くてもろいのですが、合金にすると、特にオスミウムやプラチナと合金にすると、耐久性を維持したまま、より簡単に加工できるようになります。これらの合金は卓越した耐摩耗性を持ち、ほとんどの金属が気化したり変形したりするような温度でも機械的特性を維持する。

このような理由から、イリジウムは、高温条件下での航空宇宙用途や宇宙探査のように、極端な条件下や反応性の高い条件下で材料が完璧に作動しなければならない場合によく使用される。

さらに読むイリジウム：元素特性と用途

イリジウム合金：相乗効果による性能の向上

純粋なイリジウムは非常に安定していますが、脆いため機械加工や製造には問題があります。この問題は、他の金属との合金化によって克服され、より広範な用途への可能性が実現する。

- イリジウム-プラチナ合金：

イリジウム-白金合金: イリジウム-白金合金は、航空宇宙および工業用熱電対によく使用され、電極として、また1800℃以上の温度感知接合部として使用される。イリジウムの添加により、合金の耐酸化性が向上し、過酷な条件下での使用寿命が延びます。

- イリジウム-オスミウム合金：

耐摩耗性と耐硬性があるため、精密機器のピボット、ベアリング、継続的な機械的ストレスにさらされる電気接点などに使用される。

- イリジウム・レニウム合金（Ir-Re）：

最も重要な航空宇宙用合金であるIr-Re合金は、イリジウムの耐熱性とレニウムの延性を兼ね備えています。その結果、2000℃を超える温度にも耐え、靭性と耐クリープ性を維持する金属が生まれる。この合金は、高温と反応性の排気ガスにさらされる推力室ライナーやノズルといったロケットモーターにおいて特に重要である。

イリジウムは融点が高く、従来の方法では鋳造が難しいため、これらのイリジウム合金は通常、粉末冶金または化学気相成長法によって製造される。

イリジウムの航空宇宙用途

航空宇宙工学におけるイリジウムは、ほとんど目に見えないが、無視することはできない。過酷な熱的、化学的、機械的条件下でのその卓越した安定性は、いかなる故障も許されない部品に最も適している理由です。

1.ロケットエンジンと推進システム

イリジウムの航空宇宙分野における最も重要な用途は、おそらくロケットエンジンのハードウェアであろう。Ir-Re合金は、2000℃以上の燃焼ガスに直接さらされるスラストチャンバーのライナーに使用されている。イリジウムは、高速排気による酸化と侵食のバリアを提供する。

よく知られている用途のひとつに、NASAが深宇宙でのミッションに使用する二液型ロケットモーターにIr-Re合金を使用していることがある。ボイジャー、カッシーニ、ニュー・ホライズンズ宇宙船はすべて、真空の宇宙空間で信頼性の高い長時間推力を提供するために、イリジウムで内張りされた燃焼室を採用している。この種のエンジンは、メンテナンスなしで毎年完璧に作動しなければならないが、イリジウム以外の材料でそれを保証できるものはほとんどない。

2.衛星電力システムと通信

イリジウムの用途は推進力だけにとどまらない。イリジウムは、世界規模で通信を行う60以上の衛星からなるネットワーク、イリジウム衛星コンステレーションでも重要な役割を果たしている。イリジウム星座自体は、当初計画されていた77基の衛星（イリジウムの原子番号と一致する）にちなんで元素名が付けられたが、イリジウムは衛星の特定の部品にも使用されている。

接点やコネクターでは、イリジウム・コーティングは、宇宙空間での放射線や熱サイクルの存在下で安定した導電性を提供しながら、酸化に対する耐性を維持している。イリジウムがエンジンチャンバーに適しているのと同じ堅牢性は、宇宙用電子機器の電気的完全性を維持するためにも同様に機能する。

3.熱電対とセンサー

航空宇宙用の監視および試験システムでは、温度測定が最も重要です。イリジウム白金熱電対は、ロケットのノズル、タービン、および再突入機の極端な温度を測定します。多くのセンサー材料が溶融したり劣化したりするのに対し、イリジウム白金熱電対は2000℃でも安定した精度を保ちます。

4.宇宙船の再突入と保護コーティング

イリジウムは、特に大気中の摩擦にさらされる再突入機やプローブなどの高温部品の保護コーティングとしても使用されることがある。耐酸化性と耐侵食性が大幅に向上した、薄くて密着性の高いイリジウムコーティングは、化学気相成長法（CVD）によって形成することができます。

イリジウムでコーティングされたレニウム衛星姿勢制御スラスターがその一例で、10,000回を超える点火サイクルで、標準的なニッケルやプラチナコーティングの性能をはるかに上回る動作寿命を実証している。

結論

イリジウムは、材料科学と航空宇宙工学の最前線にある。比類なき耐熱性、耐食性、機械的摩耗性を持つイリジウムは、宇宙推進、センサー、シールド・コーティングの重要な金属である。ロケットエンジンのコアから人工衛星の回路に至るまで、イリジウムは航空宇宙の未来を、静かに、華麗に、そして堅固に変革している。詳しくはスタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ（SAM）をご覧ください。