これらの熱いロボットは氷の衛星での生命の発見に役立つだろう

木星と土星を周回する衛星は、太陽の暖かさから遠く離れている。ほとんどの衛星には大気がなく、多くは何マイルもの厚さの氷の層に覆われている。また、太陽系内で生命を見つけるには、これらの衛星が最有力候補だ。凍った地殻の下には広大な海があり、米国やその他の国の宇宙機関は、いつの日かこれらの衛星を訪れるロボットの開発に全力で取り組んでいる。

「過去には、金星と火星の間に液体の水が見つかるゴルディロックスゾーンがあると考えられていました。そして、太陽系で生命が見つかるのはここだけだと考えられていました」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海洋惑星に焦点を当てたロボット工学グループのリーダー、ハリ・ナヤール氏は言う。しかし、木星のエウロパと土星の衛星エンケラドゥスには、生命にとって重要な成分、つまり液体の水、食料、深海の噴出孔からのエネルギーが豊富にあるようだ。

もし生命が存在するとしても、そこに到達するのは容易ではないだろう。おそらく、極寒の異星の海面下深くを泳いでいるところを発見されるだろう。しかし、宇宙船が太陽系外まで旅してエウロパやエンケラドゥスに着陸できたとしても、生命はまだこの海域よりはるかに上にある。ロボット探査機は氷の中を掘り進み、液体窒素と同じくらい恐ろしいほど冷たい環境を進んでいくことになる。

この氷の要塞を突破する方法はいくつかある。NASA は最近、氷の世界を探索するロボットの新しいプロトタイプをテストしていると発表した。その中には、氷を砕いてその内部の熱い部分で削りくずを加熱する探査機も含まれている。ドイツの研究者は、進路にある氷をすべて溶かすロボットを開発している。そして、アイデアはこれだけではない。

これらのロボットを開発したエンジニアたちは、ただ真っ直ぐに掘り進むだけの探査機では満足しないだろう。彼らの作品は、何ヶ月もトンネルを掘るだけでなく、移動しながらサンプルを地表まで打ち上げなければならない。これらの勇敢な探査機が氷の世界にどのように挑み、生命を探すのか、以下に紹介する。

その下に何があるのか

エウロパやエンケラドゥスに生命が存在するとしても、それは顕微鏡レベルのものだ。「おそらく、クジラや巨大イカ、小さなチューブワームなど、そのような生物は存在しないでしょう」と、ジェット推進研究所の惑星地質学者シンシア・フィリップスは言う。「多細胞生物を駆動するには、実際にはエネルギーが足りないのではないかと考えています」

しかし、海底の噴出孔は地球外微生物にとって有望な生息地となるだろう（そして、地球上の生命が始まったのと同じ種類の生態系である）。そして、これらの噴出孔がどこにあろうと、そこに生命が宿っているなら、その生命の痕跡ははるか遠くまで伝わっているはずだ。

「地球の海では、海水の1立方メートルを採取すれば、地球上のほとんどの生物の遺伝物質が含まれている可能性が高い」と、ジェット推進研究所の航空宇宙エンジニア、ブライアン・ウィルコックス氏は言う。エウロパやエンケラドゥスの海でも同じことが言えるはずだ。だから、探査機が最終的に海に到達したときに、捕獲した水滴はどれも啓発的なものになるはずだ。

「非常に低濃度のものも検出できる高性能の機器があれば、生物学的分子が存在する場合、それを確実に検出できる」とウィルコックス氏は言う。

しかし、これは私たちが送ることができる探査機にいくつかの制限を課す。ロボットは当然生命を探すことになるため、地球の微生物を持ち込まないように厳しい規則に従わなければならない。着陸前には、現代の電子機器でさえ生き残れないほどの焼けつくような高温で殺菌される。NASAは、19世紀に発明されたような単純なグラファイトと銅のモーターに頼る探査機を検討している。「120年前に使われていたタイプのモーターを、この耐熱性に耐えられる現代の材料で作ることができます」とウィルコックスは言う。

着陸機は海に触れることがないため、この最も厳しい浄化を免れることができる。そのため、探査機を実際に制御し、採取した水を分析する電子機器は、おそらく海に置かれることになるだろう。「探査機は、糸の先に操り人形のようなもので、それ自体に知性はない」とウィルコックス氏は言う。「惑星保護を最優先に考えなければならない。なぜなら、それがすべての問題の中で最も難しいことなのだから」

スライスとダイス切り

地球上では、南極やグリーンランドなどの厚い氷の中を、周囲の氷を熱して溶かしながらさらに深く潜るドリルや探査機を使って探査します。

この方法は木星や土星の衛星では通用しない。「氷の衛星に掘削装置を運ぶことはほぼ不可能だ」と、ドイツのアーヘン応用科学大学の宇宙工学教授ベルント・ダッハヴァルト氏は言う。

そして氷の温度は氷点下数百度だ。「基本的に、氷は熱をすべて逃がすことになります」とナヤールは言う。彼とウィルコックス、そして同僚たちが考えている探査機は、熱をすべて内部に閉じ込め、外に漏れないようにする。

探査機は回転する丸鋸を使って氷を切り、杭打ち機を使って穴の奥深くまで打ち込む。探査機は片側をもう片側より深く氷に切り込むことで方向転換できる。一方、氷片は探査機の断熱された本体に投げ込まれて溶かされる。「探査機の本体全体が真空ボトルで、飲み物を一日中温かく保つ魔法瓶と同じようなものです」とウィルコックス氏は言う。

熱はプルトニウム（キュリオシティ・ローバーや他の宇宙船の動力源となるプルトニウムで、核兵器の製造に使われるものではない）から発生する。プルトニウムが溶かした水のほとんどは、後部から排出される。しかし、探査機は小さな容器に水のサンプルを集め、テザー内のアルミニウム管を通して地表に放出することもできる。

溶けた水が再び氷になると、このテザーは固定されます。つまり、探査機はケーブルを地表から引っ張るのではなく、自分で運ぶ必要があります。また、探査機を地表まで引き戻すこともできません。「探査機は永久に地中に留まることになるので、絶対に滅菌しなければならない理由がこれです」とウィルコックス氏は言います。

モグラのように

凍った世界に向かう予定のもうひとつの探査機は、ドイツ宇宙機関（DLR）のエンケラドゥス探査計画のために開発されているアイスモールだ。全長約6.5フィートで、毛むくじゃらの同名の探査機ほど小型ではないが、設計者は次世代機をより短く軽量にすることを計画している。彼らはすでに南極大陸やその他の氷の場所で、その掘削能力をテストしている。

IceMole は主に融解探査機で、つまり熱で氷を突き抜ける。これには大量のエネルギーが必要なので、探査機はおそらく地表にある冷蔵庫サイズの原子力発電機から電力を得ることになるだろう。しかし、この機械式探査機には氷スクリューも取り付けられている。「この力で融解ヘッドが氷にしっかりと押し付けられるので、常に非常に良好な熱接触が保たれます」と、探査機の設計と改良に何年も費やしてきたダックワルド氏は言う。

通常の融解探査機の問題は、氷に埋め込まれた埃や砂がロボットの前の溶けた水の底に沈んで堆積する可能性があることだ。最終的に探査機は、熱を通すことができない泥の塊に遭遇し、動けなくなってしまう。アイスモールなら、アイススクリューが汚れた氷の中を引きずり回せるので、この大惨事は避けられるだろう。設計者は、南極のホア湖の土や堆積物の多い氷の中で探査機をテストした。アイスモールは速度を落としたが、止まることはなかった。この便利なアイススクリューは中が空洞になっているので、サンプルを吸い上げることができる。

NASA が提案したロボットと同様に、IceMole は進路を変えることができる。溶ける頭の片側に熱を集中させることで、IceMole をカーブに誘導することができる。「本物のモグラほど優れているわけではないが、旋回半径は約 10 メートルあり、大きな障害物を避けるには十分であるはずだ」とダックワルド氏は言う。

移動にはいくつかの異なる機器を使用し、上向きに溶けることもできる。つまり、IceMole はおそらく地表に戻る道を見つけることができるだろう。

敵対的な環境

エウロパとエンケラドゥスは、厳しい寒さ以外にも、決して快適な場所ではない。表面を動き回るロボットは、こうした極限の環境の矢面に立たされることになる。

まず、太陽から遠すぎるため、太陽光発電に頼ることはできない。また、氷の上を車で移動するのも容易ではないかもしれない。エウロパとエンケラドゥスは水蒸気の噴出をしており、それが凍って小さな粒となって地面に落ちると考えられている。「この物質は、互いにくっつかない砂漠の砂丘のような挙動をするため、簡単に沈んでしまう可能性がある」とナヤール氏は言う。同氏のチームは、砂丘バギーに似た軽量の探査車を設計している。

エウロパは木星の磁場から放射される放射線に晒されており、無防備な人間なら10分で死に至る。ロボットにとってもあまり良い環境ではない。「基本的に表面は放射線の荷電粒子で攻撃されており、どんな種類の表面宇宙船にとっても非常に有害です」とフィリップス氏は言う。

地上のロボットは、この攻撃から身を守るためにシールドが必要になる。これは、はるか下の氷に守られた探査機にとっては問題ではないように思えるかもしれない。しかし、探査機が何マイルにもわたる氷をゆっくりと突き抜けていく間、彼らは地表の機器に頼ることになる。

そして氷自体にも試練が待ち受けている。おそらく、氷は単なる純水ではないだろう。「問題は、その物質の実際の組成が分からないことだ」とナヤール氏は言う。ロボットは岩やクレバスを避けて進まなければならないかもしれないし、硫酸などの腐食性化学物質に遭遇するかもしれない。

「氷の上や未知の環境の中で数か月、あるいは数年間にわたって機能するものを持っていて、ほんのわずかな故障でもミッションの失敗につながる可能性があるのは、難しいことです」とダックワルド氏は言う。

NASA は、南極やグリーンランドなどの場所に探査機を送り込み、その性能が十分であることを確認することができる。しかし、エウロパやエンケラドゥスに比べれば、これらの氷原は楽勝だ。エンジニアは、特殊な低温真空室や極低温の氷床を使って、実験室で氷原の最も過酷な条件を模倣する必要がある。

面倒ではあるが、氷の中を進むことには良い面もある。探査機は固い岩を簡単に溶かして通り抜けることはできない。「私たちは実際に氷を溶かしたいのです。液体の水を扱うのはとても簡単なので」とウィルコックス氏は言う。

そして、探査機が旅の途中で集めるサンプルはどれも簡単にふるい分けられる。「火星や月のようにサンプルが岩石である場所では、岩石を砕いて中身を調べる必要があります」とフィリップス氏は言う。氷のサンプルは加熱するだけでよい。「そうすることで、氷と非氷物質を簡単に分離できます」

探索に最適

エウロパとエンケラドゥスは魅力的だが、探査をこの2つの衛星だけに限定する必要はない。地球以外にも、火星、大型小惑星、冥王星、土星のタイタンや木星のガニメデやカリストなどの衛星など、水を含む可能性のある天体はたくさんある。「太陽系の外縁部には、非常によく似た構造を使用できる世界が何十もある」とフィリップス氏は言う。

同じ種類の着陸船、探査車、そして最終的には探査機が、これらすべての世界を手にすることができるかもしれない。この技術が具体的にどのようなものになるかはまだ不透明だ。「他のどの解決策よりも優れているという実証済みの解決策はありません」とナヤールは言う。「これは、私たちがこれまで訪れたどの環境ともまったく異なる環境です。」

カッシーニや計画中のエウロパ・クリッパーなどのミッションから新しい情報が得られれば、私たちはこれらの遠い世界についてさらに詳しく知ることができるだろう。これにより、将来これらの氷の表面の下を探索する探査機の設計が容易になるだろう。

これらのロボットがエウロパやエンケラドゥスに着陸するまでには、かなりの年月がかかるだろう。エウロパへの探査機が打ち上げられるのは、おそらく2028年以降だろう。しかし、宇宙探査機が地球の近くで役に立たないというわけではない。地球上でも氷の研究はたくさんあるのだ。「科学的なことは何もせずに、技術的なデモンストレーションだけに資金をつぎ込むのは、少し残念なことです」とダックワルド氏は言う。彼と彼のチームは、すでにアイスモールを使って南極のブラッドフォールズで細菌のサンプルを採取している。ブラッドフォールズの氷河内塩水貯留層には、100万年以上も外界から隔絶されていた、よくわかっていない細菌がたくさんある。

また、探査機の宇宙での耐久性をテストし、同時にそれを実際に動作させる機会は他にもたくさんある。南極の氷床の下には、まだ探索されていない湖がある。生命が氷の中にどこまで広がっているか、あるいはこれらの凍った荒野で生命がどの程度生き残れるかはまだわかっていない。「他の惑星や衛星の氷の中に生命が存在できるかどうかを知りたいなら、地球上で氷の中の生命が誕生する条件を見つけ出さなければならない」とダックワルド氏は言う。