これらの航海ロボットは太陽系全体で生命を探索するだろう

地球は青い惑星として知られていますが、私たちの近所にある海の世界は地球だけではありません。木星、土星、海王星を周回する衛星や、準惑星である冥王星やエリスには、厚い氷の層の下に海が隠れている可能性があります。土星の衛星タイタンには、水ではなくメタンで満たされているものの、その表面に液体の海があります。

太陽系内に生命の兆候がある場所があるとすれば、それはおそらくこれらの極寒の世界だろう。科学者たちはタイタンや木星の衛星エウロパの遠い海を探索する決意を固めており、氷をつかむ探査車や潜水艦を設計して、その神秘的な深みに飛び込もうとしている。彼らは、極寒、地球で慣れ親しんでいる水とは異なる挙動を示す液体、その他の過酷な条件に立ち向かわなければならないだろう。

これらの頑丈なロボットが、2 種類のまったく異なる異星の海をどのように探索するのかを紹介します。

ガスの海を巡航

土星とその衛星を探査するミッションの過程で、カッシーニ宇宙船はタイタンの表面に何百もの小さな湖と、大きさと深さが五大湖に似た3つの海を発見した。

タイタンの表面には氷があり、地殻の下にはおそらく水の海が埋もれている。しかし、メタンの海は地球上の水循環に似たプロセスの一部であるため、興味深い。地球と同様に、タイタン上の液体は海から蒸発し、雲を形成し、雨となって戻ってくる。研究者たちは、このメタン循環がどのように機能するかについてさらに詳しく知りたいと考えている。さらに、生命を支え得る炭素と窒素の化合物がタイタンには豊富にある。科学者たちは、地球上の生命が水に依存するのと同じように、何らかの生命が液体メタンに依存するように進化した可能性があるかどうかを調べたいと考えている。

NASA は、タイタンの海に漂うブイを送ることを検討した。欠点は、このカプセルが風や海流に左右されることだ。「海岸にぶつかったブイは、おそらくそのまま浜辺に打ち上げられ、潮流で再び浮かぶだろう」と、メリーランド州ローレルにあるジョンズ・ホプキンス大学応用物理学研究所の惑星科学者ラルフ・ローレンツ氏は電子メールで述べた。ただし、海に戻れる保証はない。

一方、潜水艦は独自の進路を設定でき、海面下を探索し、海底の堆積物を採取することができる。NASAは、今後20年以内にタイタンに潜水艦を送り込むことを望んでいる。その発電機はプルトニウムなどの放射性物質の崩壊熱で動く予定で、華氏約マイナス290度のタイタンの海で潜水艦の電子機器を温かく保つための鍵となるだろう。

タイタンの極低温環境に対処するには「慎重な工学的配慮は必要だが、物理的な奇跡は必要ない」と、潜水艦の主任設計者であるローレンツ氏は言う。「放射性同位元素電源からの廃熱は、それに不可欠な要素であり、発泡断熱材の賢明な選択も必要だ」

もうひとつの課題は、タイタンの海の正確な化学組成がわかっていないことだ。タイタンの海は主にメタン（地球の液化天然ガスに似ている）と、少量の液化エタンと溶解窒素ガスから構成されている。しかし、これらの成分の正確な割合は不明で、タイタンの海によってかなり異なる可能性がある。そのため、このプロジェクトでは、密度と粘性がまだ十分に確立されていない液体の広がりを航行できる潜水艦を設計している。

技術者たちはタイタンの海中の窒素を特に懸念している。窒素は泡を形成し、潜水艦の航行を妨げる可能性がある。これは、潜水艦の発電機から出る廃熱の一部が環境に漏れ出すときに起こる可能性がある。「その熱は周囲の液体を沸騰させるほどではないが、液体に溶けている窒素を放出させるには十分だと考えている」と、クリーブランドにあるNASAグレン研究センターの極低温推進技術者ジェイソン・ハートウィグ氏は言う。

プロペラ自体も液体を切り裂くときに発泡を起こす可能性がある。各ブレードの後ろには小さな空間があるとハートウィグ氏は言う。この圧力の低下により、缶を開けたときにソーダが発泡するのと同じように、泡が形成される機会が生まれる可能性がある。

こうした小さな気泡は、2つの大きな問題を引き起こす可能性がある。まず、潜水艦の科学機器の邪魔になり、深度やその他の状況の測定が難しくなる可能性がある。さらに心配なのは、気泡によって潜水艦のプロペラが正常に機能しなくなる可能性があることだ。

「海中のある場所から別の場所へ移動しようとすると、潜水艦の後部で泡がすべて合体するのでしょうか？」とハートウィグ氏は言う。「プロペラを回そうとすると、潜水艦は動かず、ただ回転し続けるだけです。」

「地球上の潜水艇では、この泡立ちの問題は問題になりません。水に溶ける空気の量は非常に少ないからです」とハートウィグ氏は続ける。「タイタンでは圧力が高く、液体の温度が低いため、より多くのガスが液体に溶け込み、より多くのガスが出てくるのです。」

タイタンの海の正確な化学組成は不明なので、窒素がどのくらい含まれているかは不明です。潜水艦が遭遇する可能性のある状況をより正確に把握するため、ワシントン州立大学のハートウィグ氏と彼の同僚は地球上でタイタンの海を再現しました。彼らは、タイタンと同じような温度と圧力で、メタン、エタン、溶解窒素のさまざまな混合物を試験室に充填し、実際の潜水艦から放射される熱を模倣するために小さなヒーターを追加しました。

良い知らせは、潜水艦がサンプル採取のために動きを止めたのであれば、心配する必要はないかもしれないということだ。潜水艦は、機器の作動を妨げるほどの熱を発しないだろう、と研究チームは2月にFluid Phase Equilibria誌に報告した。しかし、「プロペラの問題をまだ排除できていない」とハートウィグ氏は言う。同氏は、ヒーターの代わりにプロペラを使って実験を繰り返すつもりで、タイタンの海を航行中に潜水艦がどの程度の泡立ちに遭遇するかを調べるつもりだ。

タイタンに送る潜水艦は、地球で見慣れているのと同じ細長い形状になる可能性がある。この種の潜水艦の重量は約 2,600 ポンド、長さは約 20 フィートになるとハートウィグ氏は言う。しかし、地球と通信するには海面に戻らなければならない。また、地球がタイタンの地平線より十分に高い位置まで上昇し、潜水艦が地球と直接視線 (および通信) を通せるようになる 2040 年代まで到着を待たなければならない。

NASA は、より小型の亀型の潜水艦の派遣も検討している。この「タイタン タートル」は、地球に情報を中継するために周回衛星とペアになる。潜水中でも通信が可能で、地球の空の位置に依存する必要がないため、打ち上げが数年早まる可能性がある。

ハートウィグ氏は、タイタンは海洋惑星の中でもユニークだと語る。太陽系でこれほど簡単に液体の海に到達できる場所は他にはない。しかし、タイタンの潜水艦は、他の天体の氷の地殻の下に隠れた海を探査する将来の船の設計に刺激を与える可能性がある。「私は常にタイタンを先駆者として見てきました」とハートウィグ氏は語る。

氷の下

こうしたアクセスしにくい海のひとつがエウロパにあります。エウロパの表面は木星の磁場からの放射線に晒され、気温は華氏マイナス 280 度と厳しいですが、その下の海は平均 5 マイルから 15 マイルの厚さの氷の壁で守られています。この海は水でできているため、生命を探したり、生命が形成されるために必要な化学的条件を研究したりするには魅力的な場所です。

エウロパの氷の障壁を突破するために、科学者たちは海まで溶けたり切り開いたりして降りるロボットをテストしている。これらのロボットは潜水艦や氷の下を走る探査車、あるいは海底に沈む着陸船を運ぶこともできる。いったん海水に着水すると、これらの探査機はおそらく華氏32度前後の温暖な気温に遭遇するだろう。「実際、電子機器にとってはそこそこ快適な環境です」とカリフォルニア州パサデナにあるNASAジェット推進研究所のエンジニア、アンディ・クレシュは言う。「もう少し厄介なのは海水です」

エウロパの海は地球と同じくらい塩分濃度が高く、さらにかなり高い可能性もあると、ジェット推進研究所の惑星科学者ケビン・ハンド氏は言う。「さらに問題なのは、混ざった硫酸がいくらか含まれている可能性が高いことです」と同氏は言う。つまり、探査機の電子機器が腐食する危険があるということだ。探査機は海の奥深くまで進むにつれ、大きな圧力にも直面することになる。海底では、地球のマリアナ海溝の底と同程度の圧力がかかる。

全体的に、エウロパの海への旅は、かなり過酷なものになるだろう。「深宇宙探査の課題と深海探査の課題の両方を抱えています」とクレシュ氏は言う。「宇宙には真空があり、氷の下には高圧があります。そして、そこへ向かう途中には放射線があります。氷の下では放射線から守られていますが、その途中で環境が私たちを腐食させようとしています。」

最も訪問しやすい場所はエウロパの棚氷の下側だろうと彼は言う。クレシュ、ハンド、そして彼らの同僚たちは、氷の底を動き回る探査車の開発に取り組んでいる。探査車や深海探査機は、潜水艦で起こりそうな流れに翻弄されることはない。「これらの探査車や着陸機は、非常に制御された状態で探査し、投げ飛ばされたり、他のものにぶつかったりしない最善の方法かもしれません」とクレシュは言う。氷の下側は、生命を探すのに特に適した場所でもある。地球では、藻類や微生物は氷の下に定着するのを好む。エウロパに生命が存在するなら、この種の地形にも引き寄せられるかもしれない。

クレシュ氏と彼のチームは、探索を始めるのを待ちきれない。彼らはアラスカの凍りつくような湖で、現在 BRUIE (氷下探査用浮遊ローバー) と呼ばれている探査車をテストしている。車輪には円形の鋸刃と、スノーシューのような役割を果たす小さなパネルが付いており、探査車の重量を氷全体に分散させる。これにより、BRUIE が氷に食い込んで動けなくなるのを防ぐ。

最終的にエウロパを訪れる予定の BRUIE は、海まで掘削するロボットによって氷の中を運ばれることになるだろう。つまり、かなり小型で、長さはおそらく 18 インチ以下になるはずだとクレシュ氏は言う。2 週間後には、BRUIE に折りたたみ式車輪を取り付けてテストする予定で、これにより BRUIE はよりコンパクトになり、持ち運びも容易になる。チームはまた、BRUIE をこれまでで最も野心的なミッション、つまり、海氷の下約 1,000 フィートをテザーなしで旅させることも考えている。

理想的には、エウロパの探査車もケーブルでつながれないはずだ。「これまでエウロパに行ったほぼすべての探査で、少なくとも一度はケーブルを切断する傾向がありました」とクレシュ氏は言う。しかし、絡まるリスクがあるにもかかわらず、電力を供給し、地表の機器と通信するためにはコードが必要になるかもしれない。

クレシュ氏と彼のチームは、海に到達するより簡単な方法も模索している。彼らは潜水艇を使ってアラスカの氷河の中にできた急勾配の水没した縦坑を探索した。昨年の夏、彼らのロボットは氷の下約 160 フィートの深さまで移動し、異なるトンネルの接続点を見つけることができた。エウロパの氷殻にも氷の塊があり、探査車や潜水艇が水面まで部分的に移動するのに使用できる可能性がある。

探査車が木星の衛星やその先へ旅立つ準備ができるまでには、まだ長い道のりがある。クレシュ氏は、計画されているエウロパ・クリッパーとエウロパ・ランダーのミッションが、探査機を氷の下に送り込む道を開くことを期待している、と語る。

その一方で、いつの日かエウロパを探索する探査車は、地球についていくつかのことを教えてくれるかもしれない。BRUIE はすでに、永久凍土の融解によって北極の湖でメタンが放出される様子を調査するために使用されている。そしてこの秋、この勇敢な探査車は、冷たい海域で 3 ～ 4 か月の滞在を行う予定だ。

「科学的な目標は、探査機を湖の氷の下に置き、太陽が沈み冬が暗くなるにつれて、メタンを豊富に含む湖の上に氷が形成され厚くなる季節の変化を観察することです」とハンド氏は言う。これにより、周囲の氷が厚くなると探査機がどのようにその場に凍りつくのかが明らかになる可能性がある。また、人間が単独で観察するには過酷すぎる環境についてさらに学ぶチャンスでもある。

「最大の海洋世界はまさに地球上にあります」とクレシュ氏は言う。「エウロパの探査を始めるために使用している技術を、これまで行けなかった地域の探査に応用しています。」