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NASA -ESA火星サンプルリターンは、火星の岩石と土壌のサンプルを鉛筆サイズの小さな円筒形のチタンチューブ43本に集め、 2033年頃に地球に持ち帰ることを目的とした、フラッグシップ級火星サンプルリターン（MSR）ミッションとして提案された[ 3 ]。[ 4 ]
2022年9月に承認されたNASAとESAの計画は、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＋火星上昇機＋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）、および帰還ミッション（地球帰還オービター）の3つのミッションを使用してサンプルを持ち帰るというものだった。[ 5 ] [ 6 ] [ 7 ]このミッションは、火星にかつて生命が存在したかどうかという疑問を解決することを目的としていた。
この提案は設計段階から先に進むことはなかったが、パーサビアランス探査車は現在火星でサンプルを採取している。[ 8 ] [ 9 ]
費用と複雑さを批判するプロジェクトレビューの後、[ 10 ] [ 11 ] NASA は、2023 年 11 月 13 日をもってプロジェクトが「一時停止」されたと発表した。[ 12 ] 11 月 22 日、NASA は資金不足の可能性から火星サンプルリターン ミッションを縮小したと報じられた。[ 13 ] 2024 年 4 月、電話会議による NASA の最新情報で、NASA 長官はサンプル回収への取り組みを継続することを強調した。しかし、110 億ドルの費用は実現不可能と判断された。NASA は、サンプル回収のためのより財政的に実現可能な新しいミッション プロファイルを作成するために、産業界とジェット推進研究所(JPL) に協力を求めた。[ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] 2026 年 1 月、議会はトランプ政権のプロジェクト中止計画を承認した。[ 17 ]
2001年の夏、ジェット推進研究所は、業界主導のチーム（ボーイング、ロッキード・マーティン、TRW）からミッションのコンセプトと提案を求めた。[ 18 ]科学的要件には、少なくとも500グラム（18オンス）のサンプル、着陸地点から少なくとも1キロメートル（0.62マイル）離れた場所でサンプルを採取するためのローバーの移動性、および2メートル（6フィート7インチ）の深さから1つのサンプルを採取するための掘削が含まれていた。その翌年の冬、JPLは、特定の大学の航空宇宙工学科（MITとミシガン大学）にも同様の要請を行った。
また、2001年には、火星上昇機（MAV）の独自性とMSRにおける重要な役割のため、MAVに関する一連の業界調査が別途実施されました。[ 19 ]この文献の図11は、打ち上げロケットのコンポーネントを個別にテストするだけではミッション失敗のリスクが「極めて高い」というロッキード・マーティンの分析に基づき、地球上空の高高度でのMAV飛行試験の必要性をまとめたものです。
2003年、JPLは2001年のミッション構想は費用がかかりすぎると報告した。その後の研究で、より費用対効果の高い計画が生まれ、2つの科学者グループ、すなわち新しいMSR科学運営グループと火星探査プログラム分析グループ（MEPAG）に受け入れられた。[ 20 ]ローバーと深掘りの代わりに、着陸機のスコップで20センチメートル（7.9インチ）の深さまで掘り、複数のサンプルを1つの容器にまとめて入れる。5年間の技術開発の後、MAVは2009年のミッションPDR（予備設計レビュー）の前に地球上で2回飛行試験される予定だった。
簡略化されたミッション計画に基づき、2013年に地球から打ち上げ、火星に2週間滞在し、2016年に帰還するという想定で、火星の微生物が地球を汚染しないように、また火星のサンプルが地球由来の生物物質で汚染されないようにするための技術開発が開始された。[ 21 ]サンプル容器は火星を出発する前に外側が清潔な状態にされ、「地球で清潔なMAVガレージ」内でMAVに取り付けられる。
2004年、JPLは2003年の計画の更新版を公表した。[ 22 ] MSRは、火星科学研究所ローバー（後にキュリオシティと命名）用に開発中の新しい大型スカイクレーン着陸システムを使用する予定だった。MSR技術委員会が設立され、 2004年初頭に到着したスピリットとオポチュニティのローバーの成功を踏まえ、ローバーの使用がMSR計画に再び組み込まれる可能性があることが指摘された。285キログラム（628ポンド）の上昇ロケットは、 5キログラム（11ポンド）のペイロードである軌道サンプル（OS）の中に0.5キログラム（1.1ポンド）のサンプルを搭載する予定だった。MAVは、火星軌道への上昇中に故障した場合にイベントを再構築するのに十分なテレメトリを送信する予定だった。
2005年時点で、火星探査ローバーの発見結果を踏まえ、岩石コア掘削機を備えた探査車がMSR計画に戻された。[ 23 ] 2009年のミッションPDRに向けて、2005年末までに技術開発が本格的に開始され、その後2013年に地球から打ち上げられる予定だった。開発中の関連技術には、火星到着のための潜在的な進歩（航法と降下推進）や、MAVに搭載できるほど小型のポンプ式液体燃料ロケット技術の実装などが含まれていた。[ 24 ]
2005年後半に行われた査読済みの分析では、火星軌道への上昇軌道は液体推進と固体推進によって異なることが示されました。これは主に、小型の固体ロケットモーターは燃焼が速いため、過剰な大気抵抗を避けるために急な上昇経路が必要になるのに対し、燃焼速度の遅い液体推進ではより効率的な軌道経路を利用できる可能性があるためです。[ 25 ]
2006 年初頭、マーシャル宇宙飛行センターは、科学探査車が火星にサンプルを保管し、その後、小型探査車が MAV と共にサンプルリターン着陸機に搭載されて送られる可能性を指摘した。その後、小型探査車または科学探査車のいずれかがサンプルを着陸機に届け、MAV に搭載される予定である。[ 26 ] 2 段式の250 キログラム (550ポンド)の固体燃料 MAV は、発射管からガス噴射される。サンプルを収容した直径16 センチメートル (6.3インチ)の球形パッケージである5 キログラム (11ポンド)のペイロードを搭載する。第 2 段はテレメトリーを送信し、その操舵スラスタは添加剤入りのヒドラジン燃料を使用する。著者らは、MAV は地球上空の高高度で複数回の飛行試験が必要になると予想した。
2007年の査読付き論文では、火星軌道ランデブーのための自律型サンプル採取のテストについて記述されている。 [ 27 ]自由浮遊テストは、放物線状の「無重力」飛行経路を使用したNASAの航空機に搭載されて行われた。
2007年、当時NASAの科学担当副長官であったアラン・スターンは、MSRの早期完了を強く支持し、JPLに火星科学研究所ミッション（後にキュリオシティと命名）にサンプル保管装置を含めるよう要請した。[ 28 ]エイムズ研究センターのチームは、MSLに追加ペイロードとして搭載するためのホッケーパックサイズのサンプル保管装置を設計していた。[ 29 ]
2008年のレビュー分析では、火星上昇と月上昇を比較し、MAVは技術的な課題だけでなく、惑星科学コミュニティにとって文化的な課題にもなると指摘した。月上昇は既知の技術を使用して行われており、科学ミッションは通常、地球の衛星が日常的に行っているのと同様に、軌道修正や軌道投入操作のために実績のある推進力に依存しているからである。[ 30 ]
2009年初頭、NASAグレン研究センター（GRC）の宇宙推進技術プロジェクトオフィスは、6つのMAVオプションのランキングを発表し、5キログラム（11ポンド）のサンプルパッケージを火星軌道に運ぶには、連続テレメトリーを備えた285キログラム（628ポンド）の2段式固体ロケットが最適であると結論付けた。[ 31 ]単段式ポンプ給油式二成分推進剤MAV [ 32 ]は、より軽量であることから2番目にランク付けされた。
その後、2009年にJPLの火星探査局の主任技術者は、月惑星研究所で2008年に開催されたMSR技術に関するワークショップに言及し、特に困難な技術的課題としてMAV、サンプルの採取と取り扱い、惑星の後方保護を挙げた。さらに、「特にMAVは開発リスクが最も高いシステムとして際立っており、早期開始の必要性を示している」と述べ、MAVを運ぶ着陸機の予備設計審査（PDR）の前に飛行試験を行う必要があると付け加えた。[ 33 ]
2009 年 10 月、NASAとESA は、 ExoMarsプログラムを進めるために火星探査共同イニシアチブを設立しました。ExoMars プログラムの最終目標は、2020 年代に火星からサンプルを持ち帰ることです。[ 34 ] [ 35 ] ExoMars の最初のミッションは 2018 年に打ち上げられる予定でしたが、[ 36 ] [ 37 ] 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指定でした。[ 38 ] 2010 年初頭に NASA 諮問委員会科学委員会 (NAC-SC) [ 39 ]に報告されたように、MEPAG は MSR の費用が「80 億から 100 億ドルかかるだろうが、NASA と ESA だけではこの金額を賄えないことは明らかだ」と推定しました。[ 40 ] 2011 年にキャッシュ ローバーMAX-Cがキャンセルされ、その後予算の制約により NASA が ExoMars から撤退したことにより、このミッションは終了しました。[ 41 ]この撤退は科学界にとって「トラウマ」だったと表現された。[ 41 ]
2010年から2011年にかけて、グレン研究センターのNASA宇宙推進技術（ISPT）プログラムは、MAV設計研究の提案を受け付け、技術開発を開始するための契約オプション付きの資金を産業界のパートナーに提供し、同時に地球帰還宇宙船の推進ニーズも検討した。[ 42 ]宇宙船を火星軌道に投入し、その後地球に帰還するには、速度変化の総量が非常に大きいことが指摘され、火星でのエアロブレーキと併用する化学推進の使用が以前想定されていたのと比較して、質量マージンを改善することで、太陽光発電推進がミッションのリスクを低減できるという結論に至った。[ 43 ] ISPTチームはまた、地球上空でのMAV飛行試験のシナリオを検討し、新しい打ち上げロケットの初期成功の歴史的に低い確率を考慮して、MSRミッションPDRの前に2回の飛行試験を推奨した。[ 44 ]
NASAとESAの潜在的なミッションスケジュールでは、それぞれサンプルキャッシングローバー、サンプルリターンオービター、2027年の地球到着のためのサンプル回収ランダーを地球から送るために、2018年、2022年、2024年に打ち上げが予定されており、MAV設計研究で特定された2年間の技術開発の後、2014年にMAVの開発が開始された。[ 45 ] ISPTプログラムは、火星到着、火星上昇、地球帰還を改善するための推進技術の1年間の進歩を要約し、サンプル回収ランダーの2024年の打ち上げ日に間に合わせるために、MAVエンジニアリングモデルの最初の飛行試験が2018年に行われる必要があると述べた。[ 46 ]
2011年のMAV産業研究は、ロッキード・マーティンがATK、ノースロップ・グラマン、ファイアスター・テクノロジーズと共同で、5kg（11ポンド）、直径16cm（6.3インチ）のサンプル球を火星軌道に運ぶために実施した。[ 47 ]ロッキード・マーティンとATKのチームは、固体推進剤の第1段と上段に固体または液体推進剤を使用し、MAVの質量を250～300kg （550～660 ポンド）と推定し、質量を削減するための開発技術を特定した。[ 48 ] ノースロップ・グラマン（旧TRW）も同様に、両方の段に加圧式液体二元推進剤を使用して300kg未満の質量を推定し、 [ 49 ]さらなる進歩の計画があった。[ 50 ]ファイアスター・テクノロジーズは、液体燃料と酸化剤を1つのメイン推進剤タンクで混合した単段式MAV設計について説明した。[ 51 ]
2011年初頭、米国国家研究評議会の惑星科学10年調査では、2013年から2022年までのミッション計画の優先順位が示され、MSRキャンペーンがその期間の最優先フラッグシップミッションであると宣言されました。[ 52 ] [ 53 ]特に、提案された火星宇宙生物学探査機キャッチャー（MAX-C）ミッションを「規模縮小」（野心的ではない）の形で支持しました。このミッション計画（予算上の理由で2011年4月に中止）は、NASAとESAがそれぞれ探査車を製造し、2018年に共同で送るというものでした。[ 54 ]
2012年、NASAの2013会計年度の火星プログラム予算が38%削減されたことで、MSRの見通しはさらに鈍化し、一連の小型ローバーミッションで火星探査が成功するかどうかについて科学者の間で論争が巻き起こった。[ 55 ]予算削減への対応策の一つとして、火星プログラム計画グループ（MPPG）が招集された。[ 56 ]
2012年半ば、キュリオシティが火星に到着する8週間前に、月惑星研究所はNASAが後援する3日間のワークショップ[ 57 ]を開催し、幅広い専門家や学生から専門知識やアイデアを集めました。これは、最新の惑星十年調査[ 52 ]で火星探査（MSR）が優先されたことを受けて、NASAが火星探査プログラムを再構築するのに役立つ情報を得るためであり、同時に最近の大幅な予算削減にも直面していました。390件の応募があり、出席した185人は、資金が削減されても「MSRに向けた信頼できるステップ」は実行できるという点で合意しました[ 58 ]。MAX -Cローバー（最終的には火星2020、パーセベランスとして実装）は当時、財政的に実現不可能と考えられていたため、概要報告書では、MSRに向けた進展には、自律ランデブーをテストする周回ミッションや、技術実証としてMAVを届けながらピンポイント着陸を実証するフェニックス級着陸機が含まれる可能性があると指摘しました。ワークショップは主に、技術と実現能力、科学とミッションの概念、そして人類の探査と前駆者という3つの分科会形式のディスカッションで構成されていた。
技術パネル[ 59 ]は、掘削の改善と「小型が美しい」探査車への投資を提案し、「創造的な質量低減能力」を重視した。パネルは、MAVは「機能的な技術は新しいものではない」が、火星の環境は課題をもたらすと述べ、MAV技術を「あらゆるコスト範囲のほとんどのサンプルリターンシナリオにとってのリスク」と呼んだ。MAV技術はワークショップへの多数の書面提出[ 60 ] [ 61 ] [ 62 ] [ 63 ] [ 64 ]で取り上げられ、そのうちの1つは、火星上昇を「実証済みの技術を超えている」（小型ロケットの速度と加速度の組み合わせ）、「社会システムにとって大きな課題」と表現し、「サンプルリターンが近い将来に行われる場合は新しい技術に対する許容がなく、サンプルリターンが遠い将来に行われる場合はMAVへの資金提供がない」という「キャッチ22」のジレンマに言及した。[ 62 ]
2012 年 9 月、NASA は MPPG で概説されている MSR 戦略 (複数回の打ち上げシナリオ、1 回の打ち上げシナリオ、複数ローバーシナリオを含む) をさらに研究し、2018 年にも開始されるミッションを目指す意向を発表しました。[ 65 ] [ 66 ] [ 67 ] [ 68 ]「フェッチ ローバー」がサンプル キャッシュを回収し、火星上昇機 (MAV) に届けます。2018 年 7 月、NASA はエアバスに「フェッチ ローバー」のコンセプトの製造を委託しました。[ 69 ] 2012 年後半の時点で、サンプルを収集するためのMAX-Cローバーのコンセプトは、NASA のキュリオシティ火星ローバー用に開発された予備部品とミッション計画を使用して、利用可能な資金の範囲内で2020 年 (火星 2020 )の打ち上げに実装できると判断されました。 [ 70 ]
2013年、NASAエイムズ研究センターは、SpaceXファルコンヘビーが、ターボポンプで供給される液体二元推進剤を使用する1トンの単段式MAVによって火星から打ち上げられる地球帰還宇宙船を含む、2トンの有用なペイロードを火星表面に届けることができると提案した。[ 71 ] [ 72 ] [ 73 ]キュリオシティ探査車が車輪で直接着陸に成功した（2012年8月）ことで、JPLは探査車の背面にMAVを搭載することを改めて検討するようになった。[ 74 ]完全誘導式の300kgのMAV（ロッキード・マーティンの2011年の2段式固体燃料[ 47 ] [ 48 ]のようなもの）であれば、往復の回収探査車は不要になる。より小型の150kgのMAVであれば、1台の探査車でサンプル収集も可能になり、MSLの遺産を利用してミッションのコストと開発時間を削減できる。開発リスクの大部分をMAVに負わせることになる。
JPLは後に、過去の取り組みの概要として、2012年の150kg固体燃料ミニMAVコンセプトの詳細を発表した。[ 75 ] 1999年の火星極地着陸機の喪失時にテレメトリデータがなかったことから、「クリティカルイベント通信」が重視されるようになり、それが後にMSRに適用された。その後、 2012年のMSL着陸後、MAVの質量を減らすことを目標に要件が見直された。単一故障耐性と火星軌道への連続テレメトリデータが疑問視された。500グラム（1.1ポンド）のサンプルについては、 5kg（11ポンド）ではなく 3.6kg（7.9ポンド）のペイロードが可能と判断された。2012年のミニMAVコンセプトは、テレメトリのないスピン安定上段に加えて、シングルストリングアビオニクスを備えていた。
2014～2015年にJPLは、6.5kgから25kgまでのペイロードに対応する固体、ハイブリッド、液体推進剤を含む火星上昇の多くのオプションを分析した 。[ 76 ]固体推進剤を使用する4つのMAVコンセプトは2段式であったが、ハイブリッドおよび液体推進剤については1段または2段式が検討された。7つのオプションは10の属性（「性能指数」）について採点された。単段式ハイブリッドは、コスト削減と複雑さの軽減でそれぞれ最も多くのポイントを獲得し、技術成熟度では最も少ないポイントを獲得し、総合的に最も高いスコアを獲得した。総合で2位は、電動ポンプを使用する単段式液体二元推進剤MAVであった。圧力供給式二元推進剤設計は、技術成熟度で最も多くのポイントを獲得し、3位となった。固体推進剤オプションは、柔軟性でほとんどポイントを獲得しなかったこともあり、スコアが低かった。 JPLとNASAラングレー研究センターは、固体ロケットモーターの高い推力と短い燃焼時間により、低高度で早期に燃焼が終了し、高マッハ数で相当量の大気を惰性で通過することになり、安定性と制御に関する懸念が高まると警告した。[ 75 ] [ 77 ]火星プログラムディレクターの同意を得て、2016年1月に限られた技術開発資金をハイブリッド推進剤MAV（液体酸化剤と固体燃料）の開発に集中させる決定がなされた。[ 78 ]
2015年から、惑星保護のための新たな取り組みとして、後方惑星保護機能を火星の表面からサンプルリターンオービターに移し、飛行中に「連鎖を断ち切る」ようにした。[ 79 ]ろう付け、袋詰め、プラズマ滅菌の概念が研究され、2016年時点でろう付けに重点が置かれてテストされた。
2018 年 4 月、火星サンプルリターン ミッションの基礎となる可能性のある意向表明書が NASA と ESA によって署名されました。 [ 80 ] [ 81 ]この合意[ 82 ]は、ドイツのベルリンで開催された第 2 回国際火星サンプルリターン会議から生まれました。[ 83 ]会議のプログラムは、サンプル科学 (予想される発見、場所の選択、収集、管理、分析) とミッションの実施 (火星到着、ローバー、岩石ドリル、サンプル移送ロボット、火星上昇、自律軌道ランデブー、惑星間推進、地球到着、惑星保護) を網羅した 125 件の技術提出物とともにアーカイブされました。[ 84 ]多くのプレゼンテーションの 1 つですが、国際科学チームは、古代の生命を探すには堆積岩サンプルの収集が必要になると指摘しました。[ 85 ] NASAとESAの共同プレゼンテーションでは、MAX-Cコンセプトから派生した火星2020ローバーによるサンプル収集、サンプル回収着陸機、地球帰還軌道船を含む基本ミッションアーキテクチャが説明された。[ 86 ]代替案として、SpaceXのファルコンヘビーを使用してミッションコストを削減しつつ、火星への質量を増やし、より多くのサンプルを持ち帰るというものがあった。[ 87 ]ベルリン会議への別の提出資料では、MAV技術を進歩させて、特定のサンプルペイロードに対して大幅に小型のMAVを可能にすることで、ミッションコストを削減できると指摘されていた。[ 88 ]
2019 年 7 月、ミッション アーキテクチャが提案されました。[ 89 ] [ 90 ] 2019 年、JPL の著者は、サンプル回収ローバー、20 個または 30 個のサンプル チューブを400 キログラム (880ポンド)の単段式軌道投入 (SSTO) MAV の12 キログラム (26ポンド)のペイロードに取り付けるオプションなど、サンプル回収の概要をまとめました。この MAV は、2016 年以来、推進技術開発の優先対象となっていた、液体酸化剤と固体ワックス燃料を組み合わせたハイブリッド推進剤を使用する予定です。[ 91 ]一方、マーシャル宇宙飛行センター (MSFC) は、MAV 用の固体推進とハイブリッド推進の比較を発表しました。[ 92 ] 2019年後半、MSFCとJPLは2段式固体燃料MAVの設計で協力し、誘導されない回転上段が質量を削減できると指摘したが、軌道変動の可能性からこのアプローチは当時放棄された。[ 93 ]
2020年初頭、JPLは、30本のチューブを含む軌道サンプルパッケージ（バスケットボール大[ 94 ] ）の全体的なミッション計画を更新し、 400～500キログラム（880～1,100ポンド）の範囲で固体およびハイブリッドMAVオプションを示しました。[ 95 ]詳細を追加して、MSFCは、火星打ち上げ時の目標質量400キログラム（880ポンド）で、 14～16キログラム（31～35ポンド）のペイロードパッケージで20本または30本のサンプルチューブを届けるための固体およびハイブリッドMAV設計の両方の設計を発表しました。[ 96 ] [ 97 ] 2020年4月、ミッションの更新版が発表されました。[ 98 ] 2段式固体ロケットMAVを採用するという決定に続き、2020年春に設計解析サイクル0.0が実施され、MAVは両段に誘導機能を備えた525キログラム（1,157ポンド）の設計に改良され、質量を節約するために誘導機能のないスピン安定式第2段の再検討につながった。[ 99 ]
2020 年 10 月、MSR 独立審査委員会 (IRB) は、MSR プログラムを全体的に進めることを推奨する報告書[ 100 ]を発表し、11 月に NASA は IRB の詳細な勧告に回答しました。 [ 101 ] IRB は、MSR には、他の惑星からの初の打ち上げ、自律的な軌道ランデブー、および「連鎖を断ち切る」ための密封付きロボットサンプル処理など、8 つの初めての課題があると指摘しました。[ 102 ] IRB は、MAV はこれまでのどの打ち上げロケットとも異なり、経験上、打ち上げロケットが小さいほど、設計よりも重くなる可能性が高いことを警告しました。[ 103 ] MAV の誘導されない上段について、IRB は、「第 2 段飛行中の故障の有用な再構築を可能にする」ために、重要なイベントのテレメトリの重要性を述べました。[ 104 ] IRB は、最も可能性の高いミッション費用は 38 億ドルから 44 億ドルであると示しました。[ 105 ] 2021年4月にNAC-SC [ 39 ]に報告されたように、惑星科学諮問委員会（PAC）[ 106 ]はMSRの「高額な費用」を非常に懸念しており、帰還サンプル研究所の計画に宇宙生物学の考慮事項が含まれることを確実にしたかった。[ 107 ]
2022年初頭、MSFCは125キログラム（276ポンド）の質量削減を目的とした誘導・非誘導MAV設計を発表し、第1段燃焼および高度上昇時の空力的な複雑さ、ヒドラジン操舵スラスタを重心からさらに離れた位置に配置すること、およびティップオフ回転なしでの段分離など、残された課題を文書化した。[ 108 ]段分離とその後のスピンアップは飛行試験される予定だが、著者らは、飛行に似たMAV全体を飛行試験することが理想的だが、コストがかさむと指摘した。
2022年4月、米国科学アカデミーは、2023年から2032年までの惑星科学10年調査報告書を発表しました。これは、2020年から始まった多くの委員会会議を経て、500件を超える独立した提出の白書（火星に関する100件以上、サンプルリターンの科学技術に関するコメントを含む）を検討し、今後10年間の計画と優先事項をレビューしたものです。[ 109 ]公表された文書では、ESAの重要な参加を得てNASAが2017年に策定した「集中的かつ迅速な」サンプルリターン計画に言及し、「この10年間におけるNASAのロボット探査活動の科学的最優先事項は、可能な限り速やかに火星サンプルリターンを完了することであるべきだ」と勧告しました。[ 110 ] 10年ごとの白書では、科学における MSR の重要性が強調され、[ 111 ] MSR の実装の説明が含まれており、[ 112 ] MAV は小型ロケットの最先端を超える飛行性能が必要であるにもかかわらず過小評価されていること、[ 113 ]持続的な開発努力が必要であること、[ 114 ]より小型の MAV の技術開発は MSR ミッションのコストを削減する可能性があることが指摘されています。[ 115 ] 10年調査委員会の会議では、多数の招待講演者が招かれ、特に MSR IRB からのプレゼンテーションが行われました。[ 116 ]
2022年3月時点では、サンプル回収ローバーとMAVは一緒になると大きすぎて重くなり、1つの着陸機では収まらないため、それぞれ別の着陸機が計画されていた。7月時点でのコスト削減計画は、MAVとともに着陸機を1つだけ送り、サンプル回収ローバーがない場合はパーサビアランス・ローバーがサンプルチューブをMAVに渡すことに頼るというものだった。[ 5 ] [ 117 ] MAV着陸機に搭載された2機の新型軽量ヘリコプターは、火星でサンプルを移動するためのバックアップとして機能する予定だった。[ 118 ]
2023 年初頭、火星の薄い大気を飛行する「火星サンプル採取ヘリコプター」は、少なくとも 2021 年以降、インジェニュイティを開発したAeroVironmentのチームによって構想されていたことが明らかになった。 [ 119 ] 3 月の公開予算会議で、NASA は MSR の高額な費用を指摘し、設計、スケジュール、必要な資金を評価するために、2 番目の独立審査委員会 (MSR IRB-2) の編成を開始した。[ 120 ] IRB-2 は 2023 年 5 月に作業を開始し、2023 年 9 月に報告書を発表した。[ 121 ] [ 122 ]
2024 年 1 月、関連する NASA の提案された計画は予算とスケジュールの考慮事項により異議を唱えられ、より新しい見直し計画が実施された。[ 123 ]アメリカ航空宇宙学会は、ミッションのコストの課題と持ち帰られたサンプルの科学的価値を対比させ、MSR のコストで複数の現地科学ミッションを実行できるが、たとえば電子顕微鏡は火星に送るには大きすぎると指摘した。[ 124 ] 3 月の回答では、高いミッションコストは MAV のサイズと巨大な着陸機に関連していると説明し、イノベーションによりより小型の MAV が実現できる可能性があると提案した。[ 125 ]
2024年4月、NASAはIRB-2報告書に対し、MIRT（MSR IRB対応チーム）からの報告書で正式に回答し、小型MAVのコスト削減効果を指摘した。[ 126 ] 2024年4月15日、NASA長官ビル・ネルソンと科学ミッションディレクターのニコラ・フォックスは、2023年9月の独立審査委員会の調査に対するNASAの対応を発表した。特に、火星サンプルリターン計画は、現在の設計とコストでは、当初70億ドルと見積もられており、2033年までに地球に再突入する予定だったが、今では110億ドルを超えるという容認できないコストがかかり、地球への再突入は2040年以降になるという調査結果が注目された。 [ 14 ] [ 16 ]これに対し、ネルソンとフォックスは、NASAは翌日、より実績のあるミッションアーキテクチャをより長く活用し、委員会の勧告に準拠する代替案を産業界に提案するよう要請し、2024年秋までに回答を得ることが望ましいと述べた。また、2024会計年度にはこの計画に3億1000万ドルを支出するとも述べた。[ 14 ] 4月22日、NASAが4月16日に提案を募集した理由を説明する公開会議が開催された。代替ミッションアーキテクチャを再検討する。[ 127 ]
2024年6月、同機関がミッションを業界からの提案に開放することを決定した後、7社が90日間のミッション調査に進むために選ばれた。[ 128 ] [ 129 ]
7月下旬に開催された第10回火星国際会議で、[ 130 ] JPLの研究者らは、新たに取得したサンプルが生命の証拠となる可能性が最も高いと発表した。[ 131 ] [ 132 ]発表では、地球に帰還した際のサンプルの取り扱いと保管に関する計画、サンプル受領施設に必要な科学機器などが紹介された。[ 133 ]別のポスター発表では、火星からの打ち上げに向けた飛行試験について説明し、MAVは地球上空で試験すれば1トンミサイルよりも遠く1000マイルも飛行できること、また、火星への手頃な価格での輸送には、反復的な製造と飛行試験から得られる新しい技術が必要になる可能性が高いことを指摘した。[ 134 ] [ 135 ]
2025年1月、NASAはMAVを着陸させるための2つの潜在的な方法を検討すると発表した。1つ目の方法はキュリオシティとパーサビアランスで使用されたスカイクレーン方式を使用し、2つ目は「新しい商業能力を活用する」というものだ。どちらの方法も、サンプルの受け取りと輸送にはESAの地球帰還オービターを使用する。[ 136 ]
2025年2月、Space NewsはMAVの課題の概要を発表し、投資を刺激するためにMAVのようなものを必要とする他のミッションや顧客が不足していることから、確立された専門知識がないことを指摘した。[ 137 ] 3月の別の意見記事では、ロケットラボが単段式液体燃料MAVを使用してサンプルを回収するための固定価格ミッションを提案したことが説明された。[ 138 ] [ 139 ]
3月31日、全米科学アカデミー宇宙生物学・惑星科学委員会の公開会議で、NASA本部の新しいMSRプログラムディレクターであるドンヤ・ダグラス＝ブラッドショー氏[ 140 ]から最新情報が発表された。同氏は、産業界とNASAチームによる2024年の研究結果を要約し、小型MAVが実現可能で極めて重要であり、JPLスカイクレーンをベースにした旧式着陸機の使用が可能になると述べた[ 141 ] 。新機能には、火星軌道上ではなく火星上で「連鎖を断ち切る」（惑星後方保護のため）こと、太陽電池パネルの代わりにRTG電力を使用することなどが含まれる。同氏は、MSFCがリスクを増やすことなく、2段式固体燃料MAVを450kgから 350kgに再設計したと述べ た。4月30日、ダグラス＝ブラッドショー氏はMEPAGに同様の最新情報を発表し、質問への回答として、ロケットラボは固定価格のMSRミッション構想に関してNASAに提案を提出していないと付け加えた。[ 142 ]
2025年5月、トランプ政権はNASAの2026会計年度予算案を発表し、その中でアメリカ側ではMSR計画を中止する計画を立てた。[ 143 ] 2026年1月、米国議会はMSRへの資金提供を行わないことを承認し、このミッションは中止されたとみなされるようになった。[ 17 ]
火星探査ミッション「マーズ2020」では、パーサビアランス探査車が着陸し、採取したサンプルを保管して後日地球に持ち帰る予定だ。
火星2020ミッションは、 2021年2月にパーセベランス探査車をジェゼロ・クレーターに着陸させた。探査車は複数のサンプルを採取し、後で持ち帰るために円筒形の容器に詰めた。ジェゼロは古代の湖底であり、地表サンプルの採取に適しているようだ。[ 144 ] [ 145 ] [ 146 ]
2021年8月初旬、パーセベランスは火星の岩石から指ほどの大きさのコアを掘削して地表サンプルを採取する最初の試みを行った。[ 147 ]この試みは成功しなかった。機器の読み取り値からドリル穴が作られ、ドリル穴の写真が記録された。しかし、サンプル容器は空であることが判明し、採取された岩石は固いコアを作るのに十分な強度を持っていなかったことが示された。[ 148 ]
十分な強度を持つ材料が得られる可能性が高いと判断された2番目のターゲット岩石は、2021年8月末から9月初めにかけてサンプリングされた。岩石を研磨し、加圧窒素の噴射で粉塵を除去し、得られた岩石表面を検査した後、9月1日に穴が開けられた。岩石サンプルがチューブ内にあるように見えたが、すぐに容器に入れられなかった。チューブを光学的に検査する新しい手順が実行された。[ 149 ] 9月6日、最初のサンプルが容器に入れられ、プロセスが完了した。[ 150 ]
NASA-ESA火星サンプルリターン計画を支援するため、パーセベランスは岩石、レゴリス（火星の土壌）、および大気のサンプルを保管している。2025年7月現在、43本のサンプルチューブのうち33本が充填されており[ 151 ]、これには8本の火成岩サンプル、13本の堆積岩サンプルチューブ、3本の火成岩/衝撃岩サンプルチューブ、蛇紋岩サンプルチューブ、シリカセメント炭酸塩岩サンプルチューブ[ 152 ]、2本のレゴリスサンプルチューブ、1本の大気サンプルチューブ[ 153 ] 、および3本のウィットネスチューブ[ 154 ]が含まれる。打ち上げ前に、43本のチューブのうち5本が「ウィットネスチューブ」に指定され、火星の環境中の微粒子を捕らえる材料が充填された。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持ち帰られず、サンプル容器には30本のチューブスロットしかないため、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保管所に予備として残されている。[ 155 ]
しかし、費用と複雑さを批判するプロジェクトレビューの後、NASAは2023年11月13日をもって火星サンプルリターンプロジェクトを「一時停止」したと発表した。[ 156 ] 2024年4月、NASAは電話会議による最新情報の中で、NASA長官はサンプル回収への取り組みを継続することを強調した。しかし、110億ドルの費用は実現不可能と判断された。NASAはサンプル回収のための、より財政的に実現可能な新しいミッションプロファイルを作成するために、産業界とジェット推進研究所（JPL）に協力を求めた。[ 157 ] [ 158 ]
2022年12月21日から、パーセベランスは収集したサンプル10個を予備保管場所であるスリーフォークスに保管する作業を開始した。この作業は2023年1月28日に完了した。
NASAの火星探査車パーセベランスがMSRキャンペーンのために科学調査とサンプル保管作業を火星のほぼ1年間行った後、探査車は保管していた10組のサンプルから1つずつをスリーフォークスサンプル保管所に預けました。NASAは最終的にそれらを地球に持ち帰る予定です。サンプルの保管作業は2022年12月19日に開始され、2023年1月28日に完了しました。[ 182 ]この保管所は、パーセベランスが保管している10個のサンプルを届けられない場合のバックアップ場所として機能します。パーセベランスは、バックアップサンプルをスリーフォークスとして知られる比較的平坦な地形に保管し、NASAとESAがMSRキャンペーンの次のミッションでそれらを回収できるようにしています。スリーフォークスは、サンプル回収着陸機のバックアップ着陸地点としても選ばれています。ここは比較的穏やかな場所で、テーブルトップのように平坦で滑らかです。
パーサビアランスの複雑なサンプリングおよびキャッシングシステムは、探査車の腹部内部から金属チューブを取り出し、内蔵のキャッシュカムで最後にもう一度確認し、サンプルを火星表面の慎重に選ばれた場所に約0.89メートル（2フィート11インチ）落下させるのにほぼ1時間かかります。[ 171 ]
チューブは一箇所に積み重ねられることはありません。代わりに、各チューブ投下地点には直径約5.5 m (18 ft)の「作業エリア」が設けられます。そのため、提案されているサンプル回収着陸機の着陸地点付近では、各サンプルが互いに約5 m (16 ft)～15 m (49 ft)離れるように、10 本のチューブにつき 10 箇所の複雑なジグザグ パターンで表面に投下されます。この計画にはさまざまな理由がありますが、主にサンプル回収ヘリコプターの設計に依存しています。ヘリコプターは一度に 1 つのチューブのみと相互作用するように設計されています。ヘリコプターはサンプル帰還着陸機の近くから離陸し、サンプル チューブの近くに着陸し、回収のための正確な場所まで移動し、その後、上昇機に届けるために SRL に戻って飛行します。2025 年 1 月現在、NASA はサンプル帰還着陸機の設計を決定していません。[ 183 ]
パーサビアランスが各チューブを投下する前と後に、ミッション管制官は探査車のSHERLOC WATSONカメラからの多数の画像を確認します。SHERLOC WATSONカメラの画像は、チューブが探査車の車輪の進路に転がり込んでいないことを確認するためにも使用されます。また、チューブが立てた状態で着地していないかどうかも確認します（各チューブには、将来のミッションで回収しやすくするために「グローブ」と呼ばれる平らな端の部分があります）。JPLの火星ヤードでパーサビアランスの地球上の双子機であるOPTIMISMとのテスト中に、このような事態は5%未満で発生しました。火星で万が一発生した場合に備えて、ミッションではパーサビアランスがロボットアームの先端にある砲塔の一部を使ってチューブを慎重に倒すためのコマンドを記述しています。
これらのシャーロック・ワトソン・カメラの画像は、サンプルが採取される前に塵や砂で覆われた場合にチューブの位置を特定するために必要な正確なデータを火星サンプルリターンチームにも提供します。火星には風が吹きますが、地球のようには吹きません。火星の大気は地球の大気の100分の1の密度なので、火星の風は速度を増すことがありますが（最も速いのはダストデビル）、多くの塵粒子を巻き上げることはありません。火星の風は確かに細かい塵を巻き上げて表面に残しますが、たとえかなりの量の塵が堆積したとしても、堆積パターンのこれらの画像は回収に役立ちます。[ 184 ]
10個のサンプルを保管する作業が完了すると、パーサビアランスは任務を続け、クレーターの底まで移動し、デルタの山頂に登った。探査車はクレーターの縁に沿って移動し、さらに多くのチューブを保管した。今度は各地点で1つのサンプルを採取するという計画に従った。以前はサンプルはペアで採取され、各ペアから1つのサンプルが保管場所に置かれていた。各ペアのもう1つのサンプルは探査車に搭載されたままになっている。[ 185 ] [ 186 ]
火星サンプルリターン計画は、設計初期段階では、ESAのサンプル回収ローバー、それに付随する第2着陸機、そしてサンプルを地球に送り返すための火星上昇機で構成されていました。しかし、検討とコスト超過の結果、パーサビアランスの予想される寿命を考慮し、既存のローバーをサンプル回収着陸機（SRL）へのサンプル輸送の主要手段とすることが決定されました。
サンプル回収ミッションでは、2028年に5つの太陽電池アレイを備えたサンプルリターン着陸機を打ち上げ、パーサビアランスのバックアップとして火星上昇機と2機のサンプル回収ヘリコプターを配備する予定です。SRL着陸機は平均的な2台用ガレージほどの大きさで、重量は約3,375 kg (7,441 lb)です。完全に展開した状態では、幅7.7 m (25 ft) 、高さ2.1 m (6.9 ft)となる予定です。着陸機のペイロード質量はパーサビアランス探査車の2倍、つまり約563 kg (1,241 lb)です。火星サンプルの移送を容易にするため、着陸機はパーサビアランス探査車の近くにいる必要があります。目標地点から60 m (200 ft)以内に着陸しなければなりません。これは、これまでの火星探査車や着陸機よりもはるかに近い距離です。そのため、着陸機には二次バッテリーが搭載されます。着陸機は、NASAが開発した地形相対航法（TRN）の改良版を活用する予定で、このTRNはパーサビアランス探査機の安全な着陸に大きく貢献した。新しい強化型着陸機視覚システム（Enhanced Lander Vision System）は、その他の改良点に加え、2台目のカメラ、高度計、そして精密着陸のための推進力利用能力の向上などを備える。着陸は2029年にスリーフォークス付近を予定している。
火星探査車2020とヘリコプターはサンプルをSRL着陸機まで輸送します。SRLのESA製、長さ約2.40m （7.9フィート）のサンプル移送アームは、サンプルを抽出して上昇機のサンプル回収カプセルにロードするために使用されます。[ 5 ] [ 187 ]
MSR計画にはインジェニュイティ級ヘリコプターが含まれており、両機とも小型ロボットアームを使ってサンプルを採取し、パーサビアランス探査車に問題が発生した場合に備えてSRL（サンプル回収ラボ）へ輸送する。
火星上昇機（MAV）は、火星表面から採取したサンプルを地球帰還軌道船に運ぶための2段式固体燃料ロケットとして計画されました。2022年初頭、ロッキード・マーティンは、NASAのマーシャル宇宙飛行センターと提携してMAVとノースロップ・グラマンのエンジンを開発する契約を獲得しました。[ 191 ]ロケットの重量と排気による滑りや傾きなどの離陸時の問題の可能性を排除するため、点火直前に着陸船から4.5メートル（15フィート） 、または火星表面から6.5メートル（21フィート）の高さまで打ち上げられる予定です。ロケットの前部は後部よりも少し強く投げ出され、ロケットは火星の空に向かって上向きになります。垂直射出制御先端放出（VECTOR）システムは、打ち上げ時にわずかな回転を加え、ロケットを上方に傾けて地表から遠ざける。[ 192 ]
MAVは高度380キロメートル（240マイル）の軌道に入る予定です。[ 193 ] MAVはSRLのシリンダー内に収納されたままで、耐熱コーティングが施されます。ロケットの第1段（SRM-1）は75秒間燃焼します。SRM1エンジンはジンバルできますが、ほとんどのジンバル式固体ロケットモーターノズルはMAVが経験する極度の低温に耐えられないため、ノースロップ・グラマンチームは耐えられるものを考案する必要がありました。それは、超音速スプリットラインを備えた最先端のトラップドボールノズルです。SRM1の燃焼終了後、MAVは約400秒間コースト状態になります。この間に、MPA空力フェアリングと第1段全体が機体から分離します。
ステージ分離後、第2ステージは側面に取り付けられた小型RCSスラスタによってスピンアップを開始します。第2ステージ全体は誘導されず、約175 RPMの速度でスピン安定化されます。目標のスピン速度に達すると、第2ステージ（SRM-2）は点火して約18〜20秒間燃焼し、近点を上昇させて軌道を円形化します。[ 194 ]第2ステージは、アクティブ誘導の代わりに重量を節約するためにスピン安定化される予定ですが、火星サンプルではペイロードの質量分布が不明になります。[ 193 ]スピン安定化によりロケットが軽量化されるため、軌道までアクティブ制御をずっと持ち運ぶ必要がなくなります。
SRM2の燃焼終了後、第2段はSRM2の残留推力が発生する間、最大10分間慣性飛行します。その後、小型の側面搭載型減速モーターが作動し、回転速度を40RPM未満に低下させます。目標軌道に到達すると、MAVはMPAに軌道サンプルコンテナ（OS）の排出を指示します。使用済みのMAV第2段は軌道上に残り、最大25日間無線ビーコン信号を発信します。これにより、EROによるOSの回収が容易になります。[ 188 ]
MAVは2028年にSRL着陸機に搭載されて打ち上げられる予定だった。[ 5 ]
EROはESAが開発を計画していた宇宙船でした。[ 195 ] [ 196 ] NASAが構築した捕獲・封じ込め・帰還システム（CCRS）とエレクトラUHF通信パッケージを搭載する予定でした。低火星軌道（LMO）でMAVによって届けられたサンプルとランデブーする予定でした。EROオービターは重量約7,000kg （15,000ポンド） （最大の火星オービター）で、太陽電池アレイにより翼幅が38m （125フィート）を超える予定でした。これらの太陽電池パネルは、これまで宇宙に打ち上げられた中で最大級のものとなる予定でした。[ 197 ]
EROは2027年にアリアン6ロケットで打ち上げられ、2029年に火星に到着する予定で、イオン推進と別の化学推進要素を使用して徐々に325 km (202 mi)の適切な軌道に到達し、その後、軌道上のサンプルとランデブーします。[ 198 ] MAVの第2段無線ビーコンは、ESA地球帰還オービターを軌道上のサンプルに十分近づけて反射光でそれを見ることができ、地球に持ち帰るためにそれを捕獲するために必要な情報を管制官に提供します。これを行うために、EROは高性能カメラを使用して、1,000 km (620 mi)以上の距離で軌道上のサンプルを検出します。「ロックオン」されると、EROはランデブーフェーズ全体を通してカメラとLiDARを使用してそれを継続的に追跡します。サンプルコンテナと位置が合うと、キャプチャ、封じ込め、および帰還システムが電源をオンにし、キャプチャ蓋を開き、キャプチャセンサーをオンにします。 ESAの探査機は、サンプル容器に向かって毎秒約2.5～5センチメートルの速度で接近し、容器を追い越して「飲み込む」。サンプル容器が安全に内部に入ったことを確認すると、CCRSは素早く蓋を閉じる。こうして探査機は軌道上で容器を回収・密封し、NASA製のロボットアームを使って密封された容器を地球帰還カプセルに収める。
600 kg (1,300 lb)のCCRS は、軌道サンプルの外側を徹底的に滅菌し、地球帰還システム (EES) 内に二重に密封して、サンプルを安全に隔離し、最大限の科学的成果を得るために無傷のままにしておくための二次封じ込めバリアを作成する役割を担います。軌道を上昇させ、推進要素 (サンプルの滅菌後には不要となる約500 kg (1,100 lb)の CCRS ハードウェアを含む) を投棄し、2033 年の火星から地球への転送ウィンドウ中に地球に帰還します。 [ 197 ] ERO は、飛行全体を通して受けた総放射線量を測定します。結果は、宇宙船の状態を監視し、将来の火星への旅行で有人探査者を保護する方法に関する重要な情報を提供します。[ 197 ]
米国がサンプルリターンミッションを中止した後、[ 17 ] ESAはEROをZefEROと呼ばれる火星への単独片道ミッションに転用することを検討しており、2032年に火星へ打ち上げられる可能性があった。[ 199 ]しかし、2026年初頭にESA加盟国はEROの中止を決定し、ESAはEROの主契約者であるエアバス・ディフェンス・アンド・スペースと、ミッション用に開発された特定の技術の再利用について協議を開始した。[ 200 ]
捕獲/封じ込めおよび帰還システム (CCRS) はサンプルを EES に格納します。EES は地球に帰還し、パラシュートなしで受動的に着陸します。地球到着の約 1 週間前、完全なシステム安全チェックが正常に完了した後でのみ、ERO 宇宙船は地球帰還フェーズを実行するように構成されます。オービターが地球から 3 日離れると、EES はメイン宇宙船から分離され、所定の着陸地点への精密な突入軌道を飛行します。分離後まもなく、オービター自体は一連の操作を実行して太陽の周回軌道に入り、地球には戻りません。ユタ試験訓練場の砂漠の砂と機体の衝撃吸収材は、サンプルを衝撃力から保護するために計画されています。[ 201 ] [ 202 ] [ 196 ] EEV は 2033 年に地球に着陸する予定です。[ 203 ]
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