史上最も有能なロボット地質学者が生命の発見のため火星へ向かう

惑星科学者は時々、火星については月よりもよく知っていると冗談を言う。NASA が初めて宇宙船をこの 4 番目の惑星の表面に着陸させたのは、米国建国 200 周年記念のときで、スペース シャトルが初めて打ち上げられる 5 年前だった。そして、それから 35 年の間に私たちは多くのことを学んだ。バイキング 1 号と 2 号は火星の岩石を分析し、スピリットとオポチュニティは古代の水の証拠を発見し、フェニックスは火星の雪を観測した。しかし、最大の疑問である、火星が生命の住処になるかどうかは、いまだに解明されていない。

NASA の最新探査機、キュリオシティが今週、答えを求めて出発します。これはこれまでで最も複雑な惑星間探査機であり、PopSci 2011 Best of What's New 賞を受賞しました。土曜日の轟音をたてたアトラス V の打ち上げから探査機の自動操縦による大気圏突入、ホバークラフトの空中投下まで、すべてが計画通りに進めば、答えよりもさらに多くの疑問を提起する、一世代に一度の探査機になるかもしれません。

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マーズ・サイエンス・ラボラトリーのミッションは、車輪付きでセダンほどの大きさで、強力なアームを備えた探査車キュリオシティだけではありません。そのホバークラフト型スカイクレーンと誘導着陸システムは、それ自体が大きな偉業であり、NASA が探査車を極めて正確に着陸させることを可能にしました。岩石を加熱、焼成、X 線撮影するために設計された 11 個のツールを備えたこの探査車は、これまでに作られたロボット地質学者の中で最も先進的です。この探査車は、生命の化学成分である酸素、窒素、炭素、水素を探査します。これが可能な最初の火星探査車です。

「私たちは他のどの宇宙船よりも優れた化学分析を行うことができます。元素ごとに何が存在するかがわかり、化学同位体も確認できます」と、探査機が製造されたNASAジェット推進研究所のMSL副プロジェクト科学者アシュウィン・ヴァサヴァダ氏は述べた。「そこにどんな元素が存在するかだけでなく、それがどんな鉱物に形成されたかもわかります。これにより、正確な温度、周囲の水の量、それらの鉱物が形成された環境条件がわかります。」

MSL が計画されていたとき、スピリットとオポチュニティが周回を開始して間もなく、NASA のエンジニアたちは 2 つのことを望んでいると話していました。それは、調査する岩石を正確に特定できる、はるかに正確な着陸と、それらの岩石を掘削して内部のサンプルを採取できる探査車です。誘導着陸では、キュリオシティは 12 マイル x 15 マイルの楕円軌道内に着陸します。地球ベースの空中投下技術と比較するとかなり不正確に聞こえるかもしれませんが、これは 4,500 万マイル離れた別の惑星であることを忘れないでください。(スピリットとオポチュニティは 90 マイルの楕円軌道内に着陸しました。)

しかし、これはほんの始まりに過ぎません。ここでは、MSL の発見の旅を可能にする重要な新技術の一部を紹介します。

誘導降下とホバークラフトの空中投下

問題がなければ、土曜日のケープカナベラルからの打ち上げで、キュリオシティは来年8月の火星到着に向けて進路を定めることになる。赤い惑星に近づくと、チキンポットパイのような形をしたエアロシェルはヒドラジン動力の巡航ステージを脱ぎ捨て、耐熱シールドを火星の方向に傾ける。バックシェルのスラスターが直径15フィートの大きな円盤を修正し、降下を誘導して、正確にゲールクレーターの平らな表面を目指す。

キュリオシティのレーザーは、5ナノ秒間、ピンの頭ほどの大きさの岩石に100万個の電球のエネルギーを照射する。大気の摩擦で十分に減速すると、長さ165フィート、直径51フィートのパラシュートが展開する。これは他の惑星では最大のもので、マッハ2.2の速度に耐えられるよう設​​計されている。また、耐熱シールドが切り離され、レーダーシステムが表面距離の追跡を開始できるようになる。この時点で、キュリオシティは車輪を下にして火星の表面に向けられている。エアバッグはない。

「エアバッグを装着するには大きすぎて重すぎます。ここのエンジニアたちは、エアバッグを使わないなら、他の選択肢として何らかのプラットフォームに着陸させるしかないことに気付きました」とヴァサバダ氏は言う。「しかし、車輪とサスペンションを備えた非常に頑丈な探査機を製造すれば、車輪だけで火星に着陸する負荷に耐えることができます。それが着陸の最良の方法であることがわかりました。」

キュリオシティは車輪から下方へと落下し、探査機が地面から数百フィート離れたところでパラシュートが投棄される。その後、ホバークラフトの逆噴射ロケット 8 基が発射され、宇宙船の降下速度がさらに低下する。3 本のテザーと通信用のコードが展開し、探査機をゆっくりと地面に降ろす。ロープが緩むと、探査機はロープを切断し、ホバークラフトは安全な場所に墜落するために飛び去る。この様子はすべて、1 秒あたり 5 フレームの高解像度ビデオで撮影される。

ちなみに、これらはすべて自律的に行​​われます。地球と火星の間の光速の遅れにより、探査車をリアルタイムで制御することは不可能であるため、予期せぬ突風や火星の砂嵐が発生した場合、探査車はそれを自力で処理する必要があります。

誘導着陸は地質学者にとって恩恵となるだろうとヴァサヴァダ氏は語った。

「それは、私たちが火星にもっと近づくことができ、着陸するには危険すぎる地形のすぐそばに着陸できるということを意味しました。その地形は、いつもより興味深い地質学的対象物であることが判明します。私たちが火星で研究したいもののほとんどは、平らで退屈なものではありません」と彼は語った。

キュリオシティが健康状態を確認したら、周囲の 3D HD パノラマ写真を数枚撮影し、注目すべき興味深いものをいくつか特定します。地球上の科学者がターゲットを見つけると、ChemCam 装置が作動します。

CHEMCAM: 火星の岩石を破壊するレーザー

MSL の科学ミッションは、よく機能する研究室と同じように、厳密な精度で進められる。11 の機器が慎重に順番に火星の岩石をのぞき込み、穴を開け、穴を掘り、掘削粉を集め、ふるいにかけ、焼き、X 線撮影し、その岩石とその歴史について知るべきすべての特徴を明らかにする。作業の大部分は、MSL のレーザーとカメラである ChemCam から始まる。

レーザーは、約25フィートの距離から岩石の表面から物質をはじき、ほこりを払い落とし、風化した表面を融解して、装置の望遠鏡で分析できるプラズマを作り出​​す。ロスアラモス国立研究所に拠点を置くこの装置の主任研究員ロジャー・ウィーンズ氏によると、レーザーはわずか5ナノ秒の間に、ピンの頭ほどの大きさの領域に電球100万個分のエネルギーを照射する。

「ChemCam は、他の機器がより多くの時間を費やすためのユニークなサンプルを識別するために、探査機の主力となるはずです」と彼は言いました。「約 25 フィート離れたところから岩石に手を伸ばして触れることができるのは、本当に有利です。」

ChemCam のサンプル 1 つを分析するには、まず岩石のクローズアップ写真を撮影し、次に広角写真を撮影し、最大 75 回のレーザー パルスを照射する必要があります。この装置は、わずか 2 ワット時の電力で、6 分ごとに 1 つのサンプルを分析できます。

このハンズフリーの岩石識別装置は、気化したサンプルから発せられる光のスペクトルを分析し、原子元素の特徴である輝線を正確に特定することで機能します。ウィーンズ氏によると、この装置は周期表全体をカバーする波長（240ナノメートルから900ナノメートル、これらのことをよく知っている人向け）をカバーしています。このレーザーは500万パルス用に設計されており、大量の岩石を爆破し、大量の元素を探すことになります。

ChemCam は移動実験室の他の部分がターゲットを見つけるのを助けるため、探査機の 2 年間 (地球の年数で) の主要ミッション中、ほぼ毎日使用されると Wiens 氏は予想している。ChemCam の科学チームにとって幸運なことに、この機器はフランス宇宙機関との共同研究であるため、国際パートナーが負担の半分を分担することになる。

ChemCam によるハンズフリー分析の後、MSL の科学者は、探査車を興味深い岩石まで運転して、泥だらけになって作業を始めることにするかもしれません。

火星の小石を焼いて土を揺らすX線

MSL の数多くの「初めて」の 1 つに、小型 X 線装置があります。これは、すでに一連の新しい地球スピンオフを実現した、まさに工学上の偉業です。CheMin 装置は、「化学と鉱物学」の略称で、初めて他の惑星の地表に元素識別の標準的な方法をもたらします。X 線回折は、原子間の空間を通過する X 線の回折パターンを調べることで鉱物を識別します、と NASA エイムズ研究センターの CheMin 主任研究員である David Blake 氏は言います。

「定期的に植えられた木々の畑を車で通り過ぎるとき、列を見下ろすと、時折、列を貫く道が見えます。結晶には、光が通過するそのようなさまざまなパターンがあり、これが回折が起こるパターンです」と彼は言いました。「すべての結晶材料はわずかに異なる回折パターンを持っているので、回折は、何の言い訳もなく、あなたが見ている材料が正確に何であるかを教えてくれます。」

この種の測定を行うには、ふるいにかけた岩石サンプルを広げ、理想的にはそれを跳ね回らせて、X線源を通り過ぎさせる。しかし、宇宙船に可動部品を載せるのは一般的に無理だ。これを回避するため、ブレイク氏と彼のチームは砂粒を揺らす圧電装置を設計しなければならなかった。この設計は、ブレイク氏と同僚が数年前にラジオシャックで購入した小さなブザーの束からヒントを得たものだ。CheMinが作動すると、それはおよそ二重高音のC音と同程度の周波数で動く。ソプラノ歌手のような音になる。

ブレイク氏は、20年以上にわたって小型X線回折装置の開発に取り組んでいる。同氏は、これは鉱物を特定する最良の方法であり、岩石が形成された環境を知る最良の方法であり、生命誕生前の化合物や生命にとって役立つ可能性のある成分があったかどうかを知る最良の方法であると語った。

MSL の他の機器もすべてこれを探します。

CheMin アレイと並んで、火星サンプル分析 (SAM) 装置は掘削サンプルを加熱してその内容物をガス化し、ガスクロマトグラフと 2 種類の分光計でその蒸気を調べる。サンプルが加熱されると、さまざまな物質が揮発性になり、最初は水のようにガスとして放出される。これらの蒸気の内容物を検出して、物質の組成を判定できる。これは、MSL が生命の兆候を探す重要な方法の 1 つとなる。そのような証拠が見つかれば、控えめに言ってもパラダイムを揺るがすことになるので、MSL にはセルフテスト キットが装備されていると Vasavada 氏は言う。それは人工有機化合物 (生命ではなく、地球上では実際には存在しないフッ素化有機化合物) を含むセラミック サンプル ブランクである。SAM の有機物質分析について論争が生じた場合、サンプル ブランクは分析の完全性を検証するのに役立つだろう。

これらすべてが繰り返しのように聞こえるなら、それはその通りだ。そして、それがポイントの一部だとヴァサヴァダ氏は言う。

「岩石を観察する方法はいくつかあり、一つの技術だけでは明確な答えは出ません」と彼は言う。「岩石にその鉱物や元素が含まれていることを2～3通りの方法で確認できれば、さまざまな機器の結果を統合して、そのストーリーをつなぎ合わせることができます。」

MSL の主目的は、火星探査 1 年、地球探査 2 年の主要な調査ミッションですが、キュリオシティが先駆者たちと同じようにうまくいけば、このミッションは延長される可能性があり、おそらくそうなるでしょう。スピリットとオポチュニティの探査車は 3 か月の稼働を想定して設計され、保証期間を 8 年近くも超えました (オポチュニティの場合はさらに延長中です)。エンジニアたちは、キュリオシティが 10 年間、赤い惑星を周回することを期待しています。

「これは着陸して、できるだけ多くの情報を集めて、あとは楽勝というミッションではありません」とヴァサヴァダ氏は言う。「これは数年かけて展開される予定のミッションなのです」

したがって、キュリオシティには深い疑問に答える十分な時間があり、また、まったく新しい深遠な疑問を発見する可能性もあります。