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火星サンプルリターン – アーティストによる概念図
火星サンプルリターン（MSR ）ミッションは、火星の岩石や塵のサンプルを採取し、地球に持ち帰るという計画です。[1]このようなミッションでは、搭載センサーよりも広範囲な分析が可能になります。[2]
持ち帰られた火星のサンプルによる地球の生物圏への相互汚染のリスクが指摘されているが、そのリスクは低いと考えられている。[3]
最新のコンセプトは、NASA-ESAの提案、CNSAの提案である天問3号、ロスコスモスの提案である火星探査計画である火星衛星探査計画（MMX）である。NASAとESAのサンプルを地球に持ち帰る計画は2024年時点でまだ設計段階にあるが、火星ではパーサヴィアランス探査車によってサンプルが収集されている。[4][アップデート]
科学的価値
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地球に持ち帰られた後、保管されたサンプルは、現在利用可能な最も高度な科学機器で研究することができます。ワシントンにあるNASA本部の科学担当副長官であるトーマス・ザーブッヘンは、このような研究によって多くの分野でいくつかの新しい発見が可能になると期待しています。[5]サンプルは、将来、まだ存在しない機器によって再分析される可能性があります。[6]
2006年、火星探査計画分析グループは、火星探査に関連する55の重要な調査を特定しました。2008年、彼らは調査の約半分は「ある程度MSRで対処できる」と結論付け、MSRを「調査リスト全体に向けて最も進歩を遂げる単一のミッション」にしました。さらに、サンプルが持ち帰られなければ、調査のかなりの部分で意味のある進歩が期待できないと報告されました。[7]
火星のサンプルの供給源の1つは、火星から噴出され地球に到達した岩石である火星隕石[アップデート]であると考えられているものです。2023年8月現在、79,000個を超える既知の隕石のうち、356個が火星起源であると特定されています。[8]これらの隕石は、その元素および同位体組成が火星で分析された岩石や大気ガスと類似しているため、火星由来であると考えられています。[9]
歴史
1990年以前
火星からの帰還は、アポロがまだ開発中であり、火星を通過する最初の宇宙船がまだ打ち上げられていなかったときに技術文献に登場し、火星への上昇には人間が搭乗すると予想されていました。[10]当時、火星の大気の密度は不明であったため、ロッキード社のエンジニアリング著者は、15トンの打ち上げロケットがランデブー軌道に到達するためのさまざまな空気抵抗条件での軌道オプションの分析を報告しました。
NASAでは、1970年代初頭、バイキング火星着陸船ミッションの開発中、ラングレー研究センターとジェット推進研究所が共同で火星からのサンプルの持ち帰りについて研究し、ラングレーの著者は「火星表面から軌道への打ち上げロケット」の質量が「初期のミッション段階、そのロケットの火星への輸送、火星での打ち上げ準備の質量とシステム要件に大きな影響を与える」ため、高性能が必要であると指摘した。[11]
少なくとも30年間、科学者たちは火星から地質学的サンプルを持ち帰ることを主張してきました。[12]初期の概念の1つは、火星調査のためのサンプル収集（SCIM）提案であり、これは火星の上層大気をかすめるように通過する宇宙船を送り、着陸や周回をせずに塵や空気のサンプルを収集するというものでした。[13]
ソ連は1975年に火星サンプルリターンミッションであるMars 5NMを検討したが、打ち上げ予定だったN1ロケットが何度も故障したため中止された。1979年に計画されていた別のサンプルリターンミッションであるMars 5M (Mars-79)は、複雑さと技術的問題により中止された。[14]
1980年代半ば、JPLのミッションプランナーは、MSRが「予算やその他の圧力により90年代まで延期された」こと、そして往復飛行には「大きな推進力が必要になる」ことを指摘した。[15]彼らは、地球から9.5トンのペイロードを打ち上げるというコンセプトの想定質量予算を提示した。これには地球帰還用の火星探査機、400kgのローバーと2トンを超える質量の「火星帰還車両」を搭載した着陸機が含まれる。20kgのサンプル容器が地球に到着し、火星のあらゆる地形から掘削された科学的品質のコアを含む5kgのサンプルが入る。
1980年代後半、NASAの複数のセンターが提案された火星ローバーサンプルリターンミッション（MRSR）に貢献しました。[16] [17] JPLの著者が説明したように、MRSRの1つのオプションは、火星周回衛星と地球帰還車両、700kgのローバー、およびポンプ供給液体推進を使用して大幅な質量削減を実現する2.7トンの火星上昇車両（MAV）を含む12トンのパッケージを1回で打ち上げることでした。[18] MAVの20kgのサンプルパッケージには、5kgの火星の土壌が含まれることになりました。ジョンソン宇宙センターの著者はその後、ポンプ供給の第1段と圧力供給の第2段を含む1400〜1500kgの質量のMAVで1998年に地球から打ち上げられることに言及しました。[19]
1990年以降
1993年9月のマーズ・オブザーバーの失敗後に結成された米国の火星探査プログラムは、火星サンプルリターンを支持した。[20] 1つのアーキテクチャは、2000年代初頭にグレン・J・マクファーソンによって提案された。[2]
1996年、火星隕石ALH84001から微化石と思われるものが発見されたことで、火星に生命が存在する可能性が浮上した。この仮説は最終的に否定されたが、火星サンプルリターンへの関心が再び高まることになった。[21]
1990年代半ば、NASAはJPLとロッキード・マーティンに資金を提供し、手頃な価格の小規模MSRミッションアーキテクチャを研究させた。これには、100kgのMAVを使用して500グラムの火星サンプルを持ち帰り、小型火星探査機とランデブーして地球に帰還するという構想も含まれていた。[22]長年にわたり有人火星ミッションを提唱してきた ロバート・ズブリンは、1996年に、MSRへの最善のアプローチは火星で作られた推進剤を使用して地球に直接打ち上げることだと結論付けた。火星軌道上でのランデブーはリスクが大きすぎるし、直接帰還するMAVの質量は500kgで、地球上で燃料を満タンにした場合、手頃な価格で火星に送るには重すぎると彼は見積もったからである。[23]国際的な査読者もこれに同意した。[24] 1997年、従来の小型ロケット技術（固体燃料と液体燃料の両方）の詳細な分析により、既知の推進部品は数百キログラムの軽量のMAVを製造するには重すぎることが判明し、「打ち上げロケットの設計原理を超小型の新しいハードウェアの開発に適用する」ことが提案されました。[25]
1998年、JPLは、2005年の火星探査ミッションに向けて、火星打ち上げ時の重量が600キログラム以下となる2段式加圧液体二液推進MAVの設計を発表した。[26] JPLの同じ著者は、ポンプ駆動による推進力を利用して軽量の低圧液体推進剤タンクとコンパクトな高圧推力室を可能にすることで小型化することを目的とした概念的な単段式200キログラムMAVの共同研究を行った。[27]ポンプ駆動によるこの質量上の利点は、単一推進剤を使用して火星軌道に到達するのと一致する質量予算を持つ概念的な100キログラムMAVに適用され、単一タンクのシンプルさによって部分的に実現され、通常は単一推進剤で行われる火星着陸にも適用可能となった。[28]高圧スラスタとポンプは、1994年の実験用21キログラムロケットの飛行で以前に実証されていた。[29]
1999 年後半の時点で、MSR ミッションは 2003 年と 2005 年に地球から打ち上げられる予定でした。[30]それぞれがローバーと火星上昇車両を運び、地球帰還能力を備えたフランス製の火星周回衛星が 2005 年に含まれることになっていた。当時「業界と契約中」だった 140 kg の MAV には、第 1 段にテレメトリが組み込まれ、簡素化された軽量の上段が分離する前に車両を 300 RPM まで回転させるスラスタが組み込まれることになっていた。各 MAV の上部には、3.6 kg、直径 16 cm の球形ペイロードが 500 グラムのサンプルを収容し、地球帰還周回衛星とのランデブーを容易にするための長寿命ビーコンに電力を供給する太陽電池が搭載される。周回衛星は両方の MAV によって運ばれたサンプル容器を捕獲し、別々の地球帰還車両に搭載する。このミッションのコンセプトは、NASAの火星探査プログラムによって2008年までにサンプルを持ち帰ることが検討されていたが[31] 、プログラムの見直しの結果キャンセルされた。[32]
2006年半ば、国際火星探査ワーキンググループ（IMEWG）は、2018年から2023年の間に国際的に後援され実行される火星サンプルリターンミッションの科学的および工学的要件の概要を示すために、国際火星サンプルリターンのための国際火星アーキテクチャ（iMARS）ワーキンググループを設立しました。 [7]
2009年10月、NASAとESAは、エクソマーズ計画を進めるために火星探査共同イニシアチブを設立した。その最終目標は「2020年代に火星からサンプルを持ち帰る」ことである。[33] [34]エクソマーズの最初のミッションは2018年に打ち上げられる予定だったが[6] [35] 、 2020年から2022年の間にサンプルを持ち帰るミッションは未定だった。[36] 2011年にキャッシュローバーMAX-Cがキャンセルされ、その後NASAが予算制限のためにエクソマーズから撤退したことで、ミッションは終了した。[37]この撤退は科学界にとって「トラウマ」だったと評された。[37]
2011年初頭、2013年から2022年までのミッション計画の優先順位を示した米国国立研究会議の惑星科学10年計画では、その期間の最優先のフラッグシップミッションとしてMSRキャンペーンを宣言した。 [38]特に、提案された火星宇宙生物学探査機キャッシャー（MAX-C）ミッションを「縮小」（野心の低い）形で承認した。このミッション計画は2011年4月に正式にキャンセルされた。
火星2020年探査車 パーサヴィアランスミッションの主なミッション要件は、MSRの準備を支援することだった。[39] [40] [41]探査車は2021年2月18日にジェゼロクレーターに着陸し、サンプルを収集して43本の円筒形チューブに保管し、後で回収する予定である。
火星2020ミッション
火星2020ミッションは、2021年2月にジェゼロクレーターにパーサヴィアランス探査車を着陸させた。この探査車は複数のサンプルを収集しており、今後も収集を続け、シリンダーに詰めてMSRキャンペーンで後に持ち帰る予定である。ジェゼロは古代の湖底のようで、地上でのサンプル採取に適している。 [43] [44] [45]また、ミッションの寿命が長い可能性を考慮して、サンプルをサンプルリターン着陸船に直接持ち帰る任務も割り当てられている。
NASA-ESA火星サンプルリターン
を支援するため、岩石、レゴリス（火星の土壌）、大気のサンプルがパーセベランスに保管されている。2023年10月現在、43本のサンプルチューブのうち27本が満たされており、[46]火成岩サンプル8本、堆積岩サンプルチューブ12本、シリカで固められた 炭酸塩岩サンプルチューブ1本、[47]レゴリスサンプルチューブ2本、大気サンプルチューブ1本、[48]およびウィットネスチューブ3本[49]が含まれている。打ち上げ前に、43本のチューブのうち5本は「ウィットネスチューブ」に指定され、火星の周囲環境の微粒子を捕捉する材料で満たされていた。43本のチューブのうち、3本のウィットネスサンプルチューブは地球に返却されず、サンプルキャニスターにチューブスロットが30本しかないため、ローバーに残される。さらに、43本のチューブのうち10本はスリーフォークスサンプルデポにバックアップとして残されている。[50]
2022年12月21日から、パーセベランスは、収集したサンプルのうち10個をバックアップの保管庫であるスリーフォークスに保管するキャンペーンを開始しました。これは、パーセベランスに問題が発生した場合でも、MSRキャンペーンが成功できるようにするためです。
提案
NASA-ESA
火星サンプルリターン計画[51]
（アートワーク; 2022年7月27日）
（アートワーク; 2022年7月27日）
NASA-ESAの計画[52]は、2020年に打ち上げられ現在運用中のサンプル収集ミッション（パーセベランス）、サンプル回収ミッション（サンプル回収着陸機＋火星上昇車両＋サンプル移送アーム＋インジェニュイティ級ヘリコプター2機）、帰還ミッション（地球帰還探査機）の3つのミッションを使用してサンプルを帰還させることになっている。[53] [54] [55]
NASAとESAの提案はまだ設計段階にあるが、サンプル収集の第一段階は現在、火星のパーサヴィアランス探査車によって実行されており、サンプル回収着陸機（第二段階）のコンポーネントは地球上で試験段階にある。 [4] [56] [57]後期段階は、2023年8月の時点で大幅なコスト超過に直面していた。[58] [59] 2023年11月、NASAは資金不足の可能性があるためプログラムを削減したと報告された。[60] 2024年1月現在、計画は予算とスケジュール上の考慮事項により継続的な精査に直面しており、新しい見直し計画が進められている。[61] 2024年4月、NASAは、当初予測されていた70億ドルのコストと2033年のサンプルリターンが、受け入れられない110億ドルと2040年のリターンに更新され、機関がより良い解決策を模索するよう促したと報告した。[62]
中国
中国は、天問3号と呼ばれる火星サンプルリターンミッションの計画を発表した。[63]このミッションは2028年後半に打ち上げられ、長征5号で着陸機と上昇機、長征3B号で周回機と帰還モジュールが別々に打ち上げられる予定である。サンプルは2031年7月に地球に持ち帰られる予定である。[64]
以前の計画では、サンプルの収集、上昇、軌道ランデブー、帰還飛行を含むすべてのミッション段階を実行できる大型宇宙船を使用する予定だった。これには、超重量級の長征9号打ち上げロケットが必要だった。[65] [66] [67]別の計画では、天問1号を使用してサンプルを保管し、回収する予定だった。[68]
フランス
フランスは長年にわたりサンプルリターンに向けて取り組んできた。これには、返還サンプルのための地球外サンプル管理施設の構想や数多くの提案が含まれる。フランスは、他国との共同ミッションの一環としてサンプルを採取して返還する火星サンプルリターン探査機の開発に取り組んできた。[69]
日本
2015年6月9日、宇宙航空研究開発機構（JAXA）は、火星衛星フォボスまたはダイモスからサンプルを採取する火星衛星探査（MMX）計画を発表した。[70] [71]フォボスの軌道は火星に近く、その表面は火星から吹き付けられた粒子を捕らえている可能性がある。[72]地球からの打ち上げは2024年9月に予定されており、2029年に地球に帰還する。[73]日本はまた、国際的な火星サンプルリターンミッションへの参加にも関心を示している。
ロシア
ロシアの火星サンプルリターンミッションのコンセプトは、マーズ・グルントである。[74] [75] [76] [77] [78]これはフォボス・グルントの設計の伝統を引き継いだ。[75] 2011年の計画では、周回機と着陸機（移動能力はない）を備えた2段構造が想定され、[79]ロボットアームによって着陸機の周囲からサンプルが収集される。[74] [80]
逆汚染
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火星に生命体が存在するかどうかは未解決である。そのため、火星探査機は生存可能な生物を地球に持ち込む可能性があり、逆汚染、つまり地球外生物が地球の生物圏に持ち込まれることになる。科学的コンセンサスは、病原性または生態系の混乱による大規模な影響の可能性は小さいということである。[7] [81] [82] [83] [84]返されたサンプルは、科学者がサンプルが安全であると判断するまで、潜在的に生物学的に有害であるものとして扱われる。目標は、火星粒子が放出される確率を100万分の1未満にすることである。[81]
NASAの火星サンプルリターンミッションの提案は、国家環境政策法（NEPA）のプロセスが完了するまでNASAによって承認されない。[85]さらに、宇宙条約第7条およびその他の法的枠組みの規定により、生物の放出が発生した場合、放出国は結果として生じる損害に対して責任を負うことになる。[86]
サンプルリターンミッションの任務は、火星の環境とサンプル容器の外部との接触を防ぐことである。[81] [85]
パラシュート破損のリスクを排除するために、現在の計画では、衝撃（終端速度）時にカプセルを衝撃から守るために熱保護システムを使用することになっています。サンプルコンテナは衝撃の力に耐えられるように設計されます。[85]返送されたサンプルを受け取るために、NASAはバイオセーフティレベル4のカスタム封じ込め施設、火星サンプルリターン受領施設（MSRRF）を提案しました。[87]
他の科学者や技術者、特に火星協会のロバート・ズブリンは、宇宙論ジャーナルで汚染リスクは事実上ゼロであり、心配する必要はほとんどないと主張した。彼らは、隕石の衝突によって火星と地球の間で何兆キロもの物質が交換されてきたにもかかわらず、これまでに知られている事故がないことなどを挙げている。[88]
国際火星サンプルリターン反対委員会（ICAMSR）は、バリー・ディグレゴリオが率いる擁護団体で、火星サンプルリターンミッションに反対する運動を行っている。ICAMSRはバイオハザードの可能性が低いことを認めているが、提案されている封じ込め対策は安全ではないと考えている。ICAMSRは、火星での現地調査の強化と、サンプルを地球に持ち帰る前に国際宇宙ステーションで予備的なバイオハザード検査を行うことを提唱している。 [89] [90]ディグレゴリオは、1976年のバイキング着陸船による微生物生命の発見に関するNASAの隠蔽の陰謀説を受け入れている。[91] [92]ディグレゴリオはまた、一般的なウイルスなどのいくつかの病原体は宇宙で発生し、おそらく大量絶滅やパンデミックを引き起こしたという見解を支持している。[93] [94]地球上の病気と地球外病原体を結び付けるこれらの主張は、科学界によって否定されている。[93]
参照
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外部リンク
- NASA と JPL が制作した火星サンプルリターンのメディア リール (ビデオ)