火星の地下数マイルにトンネルを掘るドリル

カリフォルニア州オコティロ ウェルズの正午。サンディエゴとソルトン湖の間に広がる、広大で何もない砂漠。このカリフォルニアの地域は、火星と見まがうほどだ。数分後には、すべてが粉砂糖のような柔らかい手触りの白い細かい粉で覆われる。ハニービー ロボティクスの副社長兼探査技術担当ディレクターのクリス ザクニーは、車からヘルメットとベストを取り出し、ミッション コントロールとして機能している U-Haul に歩いていく。今日、ザクニーと彼のチームは、火星やエウロパなどの地表から数マイル下まで掘り進み、生命の証拠を探すために設計された Planetary Deep Drill のテストを開始する。

プラネタリー ディープ ドリルは、写真を掛けたりイケアの家具を組み立てたりするために家にあるような普通のドリルではありません。人類史上最も重要な探索の 1 つに数えられるこの探索を支援するために、プラネタリー ディープ ドリルには顕微鏡、カメラ、LED ライト、紫外線ライトが搭載されています。紫外線ライトは、犯罪現場で有機物を識別するために使用されるブラック ライトと似ており、蛍光を発する微生物や鉱物を識別するのに役立ちます。

これは、プラネタリー ディープ ドリルの現場での初めてのテストです。これまで、その機械システムは研究室でのみテストされていました。現在、このようなドリルの開発に取り組んでいる組織は、Honeybee Robotics だけです。NASA はかつて独自の設計に取り組んでいましたが、現在は Honeybee Robotics のエンジニアと提携して、いつか宇宙に打ち上げる予定です。

このドリルはまだ他の惑星に向けて打ち上げられる予定はなく、少なくとも10年間は​​そうなることはないだろう。「今のところ何も予定されていない」とNASAの惑星科学部長ジム・グリーン氏は語る。「しかし、いずれこのようなものを開発しなければならないことはほぼ間違いない」

最初の地球外掘削場所として最も可能性の高い場所は火星です。火星の両極には氷があることはわかっていますが、もしそこに何かが生き残っているとしたら、それは火星の表面を絶えず襲う放射線から離れた、地下深くにある可能性が高いです。エウロパについてはそれほど知られていませんが、場所によっては深さが 11 マイルにもなる厚い氷の殻で覆われていることはわかっています。エウロパの本当の謎は、地球のすべての水源を合わせたよりも多くの水を含む巨大な塩水の海、つまり微生物の温床となる可能性のある場所の地下にあります。

テストまであと5分

5 人のクルーは、研究開始の準備として、リアルタイムでデータを読み込む大型テレビ画面を装備している。U-Haul からは石膏採石場が見渡せる。この採石場は USG (United States Gypsum) という民間企業が所有・運営しており、Honeybee の実験用に貴重な石を提供している。そこには人も動物もおらず、低木がまばらに生えているだけである。クルーは、数週間に及ぶ掘削に備えて、ミッション コントロールに大量のスナックと水を備蓄している。

ザクニー氏とハニービー・ロボティクスの副所長ゲイル・ポールセン氏はパサデナのオフィスから車でやって来たが、3時間の運転にもかかわらず、プロジェクトが着工するのを見て心から興奮している。

プロジェクトエンジニアの一人がドリルの後ろにあるレバーを掴み、タングステンカーバイドのドリルビットを手動で地表まで下ろし、U-Haulのミッションコントロールにモーターを起動するよう信号を送ります。

特別に設計されたドリルビットは、非常に硬い岩や氷の層を削り取るためのものです。この石膏採石場は、決して寒くはなく (私たちが訪れたときは華氏 80 度でした)、火星の両極のように氷で覆われているわけでもありません。しかし、この特定の場所はたまたま米国で最も厚い石膏の堆積層です。石膏はもろい岩ですが、層になると非常に強くなり、何百万年もの間惑星の表面で蒸発し、再凝縮してきた氷に近い類似物として機能します。表面を爪で削ることはできるかもしれませんが、数キロメートル下の掘削には、氷や岩を突き破るのに十分な強度のツールが必要です。

高さ 16 フィートのドリルの土台には、パートナーを表すステッカーが誇らしげに貼られています。パートナーは、ハニービー ロボティクス、アメリカ自然史博物館、USG、NASA、惑星協会です。ザクニー氏は、ドリルの支援者全員が「探査という同じ目標を持っています」と言います。

別の惑星を探索するためのものを開発するには創意工夫が必要です。チームは、ホームセンターや人間から数十億マイル離れた場所でも問題なく機能するドリルを設計するために、非常に独創的である必要がありました。Planetary Deep Drill は完全に自律的に機能する必要があります。

「最終的にこのようなものを開発しなければならないことは、ほとんど考えるまでもありません。」

「自律性以外で最大の課題は、地質学的な不確実性です」とザクニー氏は説明する。「火星とエウロパの水はきれいではありません。基本的には塩分を多く含む塩水で、氷点下50度から70度まで変化することがあります。さらに、岩石や岩石の層、落下した隕石の層が埋め込まれている可能性があり、ドリルはこうしたあらゆる変化に対応できなければなりません。」

ドリルは宇宙船にも取り付けられる必要があります。

同社は、このドリルで火星の地下数百フィート（エウロパの場合は最大 5 マイルの氷）を掘削することを目標としているが、ドリル自体は先端にビットが付いているだけで高さはわずか 13 フィートである。ドリルとともに打ち上げる必要のある貨物のかさばりを減らすため、ハニービーは掘削​​孔内でドリルを上下させるケーブルを設計した。このケーブルは釣り糸のように機能し、小さな容器に巻き込んで、必要に応じて放出したり巻き戻したりできる。ポールセン氏は大量のケーブルを指差して、「ケーブルがあればドリルを必要なだけ下げることができるので、搭載できるケーブルの量に制限があるだけです」と語る。

掘削開始

ドリルが小さな掘削孔に落ちました。ミッションコントロールがモーターを始動し、フィールドテストが始まりました。

タングステンカーバイドのドリルビットが630万年前の岩石にこすりつけられる音は驚くほど静かで、地表から数センチ下なのにかすかなカチッという音しか聞こえない。チームは石膏をこすりつけるくぐもった音を聞きながら、ドリルの深さ、温度、毎分回転数などのデータを表示する大型テレビ画面を時折ちらりと見ながら、注意深く見守っている。30分後、最初のセッションは終了。彼らは20センチ掘り下げ、その日の終わりまでに少なくとも10フィート掘り下げることを目標にしている。

ザクニーとポールセンはドリルに歩み寄り、チームがウインチを上げて掘削孔からドリルがゆっくりと出てくるのを見守る。らせん状のオーガーの隙間には、白い石膏の塊が散らばっている。エンジニアたちはブラシ、小さな段ボール箱、ジップロックの袋を手に取り、ドリルの掃除を始め、後で研究室で調べるために石膏の粉を集めた。これは、ドリルが最終的に自力で行わなければならないことのほんの一例に過ぎない。集水域をきれいにして、作業に戻るのだ。

「私たちは、これが機能すること、それが実行可能であることを証明するためにこれを行っています。」

清掃とサンプル採取以外にも、考慮すべき要素はたくさんある。ドリルは実際に機能する必要があり、地球の快適な環境以外での掘削を計画する際には、重力という大きな課題について考えなければならない。火星の重力は地球の 3 分の 1 である。「火星ではすべてのものの重量が 3 分の 1 しかないため、同じ推力は得られません」とザクニー氏は説明する。「通常は重量に頼ってドリルビットを押し下げますが、このような惑星ドリルではそれは選択肢にありませんでした」。そこでポールセン氏とザクニー氏は、掘削孔の側面を押すことでドリル自体を押し下げるドリルを設計した。これにより、重力の有無はドリルの機能には関係なくなる。

最終的に火星の両極に向かう可能性のある次世代ドリルは、おそらくこのテストドリルの半分のサイズになり、顕微鏡の代わりにSHERLOC（ラマンとルミネセンスによる有機物と化学物質の居住可能環境のスキャン）と呼ばれるUV /ラマン分光計が取り付けられる予定です。この分光計は、火星2020ローバーに搭載され、同様のミッション（火星の土壌のバイオシグネチャーの検出）を実行することがすでに承認されています。ただし、ローバーの土壌サンプルは、はるかに浅い掘削穴（最大でも2〜3インチの深さ）から採取されます。NASAのジェット推進研究所によって設計されたSHERLOCは、ドリルが地表より深く進むにつれて読み取りを行うことができ、火星のその領域に生命が存在するかどうかを確認できるはずです。

第2ラウンド

チームはミッションコントロールの周りに集まり、テストの第 2 ラウンドを開始します。彼らは、目標の深さ 30 メートル (約 100 フィート) に到達するまで、今後数週間にわたって 30 分間隔でドリルを操作します。「これが機能すること、実行可能であることを証明するためにこれを行っています」とザクニーは言います。

砂漠でのテストの後、ハニービーチームは最終的にグリーンランドなどのより過酷な環境にドリルを持ち込む予定です。そこでは、火星の両極のような場所に最も近い類似物が得られます。氷点下を大きく下回る気温でテストすることで、電子機器が火星の凍てつく環境でどのように機能するかについて、よりよく理解できるようになります。

ザクニー氏とポールセン氏は火星研究の初心者ではない。彼らは火星へのミッションに何度か携わってきた。ハニービー社は、キュリオシティ探査車のサンプリングシステム、火星探査車のドリル、フェニックス着陸船のサンプリングスコップと分光計の開発に携わってきた。同社は、将来の火星2020探査車のサンプリングシステムにも取り組んでいる。

「これは惑星探査における革命です」と惑星協会の科学技術部長ブルース・ベッツ氏は言う。「ロボットによる自律掘削の最長距離は数センチメートルですが、これを実現してメートルではなく数十、数百メートルまで掘削できれば革命的です。」

NASA のジム・グリーン氏も、深部掘削に加わっています。「これは火星に生命が存在するかどうかを確認する機会です」と彼は言います。「極限状態になると、生命は岩石の中に移動します。足元の生物圏には、海中の全生命よりも多くの生命が存在することが分かっています。何メートルも深くまで到達できるドリルがあれば、適切に調査することができます。」

掘削作業が日中も続く中、クルーは火星のような視点から採石場を観察することにした。太陽は空に沈み、近くの山の上に浮かんでいる。丘の上の鉄酸化物が日光を反射し、すべてが温かみのある赤みがかった色をしている。ここは本当に火星だと思い込んでしまうほどだ。

今日のテストは数あるテストのうちの 1 つですが、地下わずか 10 フィートでのテストなので、ザクニー氏はその興奮を隠そうとはしません。「このテストはすでに大成功だと思っています」と同氏は言います。「あとは火星に行くだけです!」