サンプルリターンミッション

サンプルリターンミッションは、宇宙船が地球外からサンプルを採取し、分析のために地球に持ち帰るミッションである。サンプルリターンミッションでは、原子や分子だけを持ち帰る場合もあれば、遊離物質や岩石などの複雑な化合物の堆積物を持ち帰る場合もある。これらのサンプルは、土壌や岩石の掘削、太陽風や彗星の破片の粒子を捕獲するために使用されるコレクターアレイなど、さまざまな方法で採取される。しかし、そのようなサンプルを地球に持ち帰ると、地球自体が危険にさらされる可能性があるという懸念が高まっている。^[1]

現在までに、地球の月から月の岩石のサンプルがロボットおよび有人探査機によって収集されている。彗星ワイルド2と小惑星イトカワ25143、リュウグウ162173、ベンヌ101955にはロボット宇宙船が訪れ、サンプルを地球に持ち帰った。また、太陽風のサンプルはロボットによるジェネシス探査機によって持ち帰られた。

サンプルリターンミッションに加えて、特定された3つの地球外天体からのサンプルが他の手段で収集されました。月からは月隕石の形で、火星からは火星隕石の形で、ベスタからはHED隕石の形でサンプルが収集されました。

地球上で入手可能なサンプルは研究室で分析できるため、太陽系の発見と探査の一環として理解と知識を深めることができます。現在までに、太陽系に関する多くの重要な科学的発見は望遠鏡を使って遠隔的に行われ、太陽系のいくつかの天体には、リモートセンシングやサンプル分析が可能な機器を搭載した宇宙船が周回または着陸して訪問されています。太陽系のこのような調査はサンプルリターンミッションよりも技術的には簡単ですが、そのようなサンプルを研究するために地球上で利用できる科学的ツールは、宇宙船に搭載できるものよりもはるかに高度で多様です。さらに、地球上でサンプルを分析することで、地球外固有の物質と地球の汚染物質を区別できるツール^[2]や、まだ開発されていないツールなど、さまざまなツールで調査結果を追跡することができます。対照的に、宇宙船は限られた分析ツールしか搭載できず、これらは打ち上げよりかなり前に選択して構築する必要があります。

地球上で分析されたサンプルは、リモートセンシングの発見と照合することで、太陽系を形成したプロセスについてより深い洞察を得ることができます。これは、例えば、2011年から2012年にかけて小惑星ベスタを撮影するために訪れたドーン宇宙船の発見や、それまで地球上で収集されたHED隕石のサンプルとドーンが収集したデータとの比較によって行われました。 ^{[3]これらの隕石は、ベスタの大きな衝突クレーターである}レアシルビアから噴出した物質であると特定されました。これにより、ベスタの地殻、マントル、核の組成を推測することができました。同様に、小惑星の組成のいくつかの違い（および、程度は低いが、彗星の異なる組成）は、画像だけで識別できます。ただし、これらの異なる天体の物質のより正確な目録を作成するために、将来的にはさらに多くのサンプルが収集され、それらの組成を望遠鏡や天文分光法で収集されたデータと照合するために持ち帰られる予定です。

こうした調査のもう 1 つの焦点は、太陽系のさまざまな天体の基本的な構成と地質学的な歴史のほかに、彗星、小惑星、火星、または巨大ガス惑星の衛星に生命の構成要素が存在するかどうかである。現在、小惑星と彗星へのサンプルリターン ミッションがいくつか計画されている。小惑星と彗星からより多くのサンプルを採取すれば、生命が宇宙で形成され、隕石によって地球に運ばれたかどうかの判断に役立つだろう。調査中のもう 1 つの問題は、地球外生命が火星などの太陽系の他の天体や巨大ガス惑星の衛星で形成されたかどうか、そしてそこに生命が存在する可能性があるかどうかである。NASA の最新の「10 年調査」の結果、火星は特別な重要性を持つため、火星のサンプルリターン ミッションが優先されることとなった。火星は比較的「近く」にあり、過去に生命を宿していた可能性があり、生命を維持し続けている可能性もある。木星の衛星エウロパは、太陽系における生命の探索におけるもう 1 つの重要な焦点である。しかし、距離やその他の制約により、エウロパは近い将来にサンプルリターンミッションの対象にならない可能性がある。

惑星保護は、サンプルリターンミッションの場合、対象天体と地球の両方の生物学的汚染を防ぐことを目的としています。火星や生命が存在する可能性のある他の場所からのサンプルリターンは、 COSPARの下ではカテゴリーVのミッションであり、地球に持ち帰られた滅菌されていないサンプルを封じ込めることを指示しています。これは、そのような仮想生命が人間や地球の生物圏にどのような影響を与えるかが不明であるためです。 ^[4]このため、カール・セーガンとジョシュア・レーダーバーグは1970年代に、カテゴリーVミッションに分類されるサンプルリターンミッションは細心の注意を払って行うべきだと主張し、その後のNRCとESFの研究でもこれに同意しました。^{[4] [5] [6] [7] [8]}

1969年7月、アポロ11号は太陽系の他の天体から初めてサンプルを持ち帰り、22キログラム（49ポンド）の月面物質を持ち帰った。その後、アポロ12号から34キログラム（75ポンド）の物質とサーベイヤー3号の 部品、アポロ14号から42.8キログラム（94ポンド）の物質、アポロ15号から76.7キログラム（169ポンド）の物質、アポロ16号から94.3キログラム（208ポンド）の物質、アポロ17号から110.4キログラム（243ポンド）の物質が持ち帰られた。^[要出典]アポロ計画全体では、月の土壌を含む382kg（842ポンド）以上の月の岩石と表土がヒューストンの月受入研究所に持ち帰られました。[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ^]現在、サンプルの75％は1979年に建設された月サンプル研究所施設に保管されています。 ^[12]

1970年、ソ連のロボット探査機ルナ16号は101グラム（3.6オンス）の月の土を持ち帰り、続いて1974年にルナ20号が55グラム（1.9オンス）、 1976年にルナ24号が170グラム（6.0オンス）を持ち帰った。回収量はアポロ計画よりはるかに少なかったが、完全に自動で回収された。この3回の成功とは別に、ルナ計画の他の試みは失敗に終わった。最初の2回のミッションはアポロ11号に対抗することを目的としており、1969年6月と7月にその直前に実施された。ルナE-8-5号402号は開始時に失敗し、ルナ15号は月面に墜落した。その後、他のサンプルリターンミッションも失敗に終わった。1969年のコスモス300号とコスモス305号、1970年のルナE-8-5号405号、 1975年のルナE-8-5M号412号は打ち上げに失敗し、 1971年のルナ18号と1974年のルナ23号は月面着陸に失敗している。^[13]

1970年、ソ連は1975年に火星5NM計画で初の火星サンプルリターンミッションを計画した。このミッションはN1ロケットを使用する予定だったが、このロケットは飛行に成功せず、ミッションは火星5M計画へと発展し、小型のプロトンロケットとの二重打ち上げとサリュート宇宙ステーションでの組み立てを行うことになった。この火星5Mミッションは1979年に計画されていたが、技術的な問題と複雑さのため1977年に中止された。^[14]

1996年から1997年にかけて18か月間ミール宇宙ステーションで実施された軌道上デブリ収集（ODC）実験では、エアロゲルを使用して惑星間塵と人工粒子の両方を含む低地球軌道上の粒子を捕獲しました。^[15]

地球外サンプルを持ち帰る次のミッションはジェネシスミッションで、2004年に地球周回軌道外から太陽風サンプルを地球に持ち帰った。残念ながら、ジェネシスカプセルは大気圏再突入時にパラシュートが開かず、ユタ州の砂漠に不時着した。深刻な汚染やミッション全体の失敗が懸念されたが、科学者たちは多くのサンプルを救出した。それらは月周回軌道外から収集された最初のサンプルであった。ジェネシスは超高純度シリコン、金、サファイア、ダイヤモンドのウェハーで作られたコレクターアレイを使用した。それぞれの異なるウェハーは、太陽風の異なる部分を収集するために使用された。^[16]

ジェネシスの後にはNASAのスターダスト宇宙船が続き、2006年1月15日に彗星のサンプルを地球に持ち帰った。スターダストはウィルド2彗星を無事通過し、彗星の核を撮影しながら彗星のコマから塵のサンプルを採取した。スターダストは、ガラスの約1/1000の密度を持つ低密度エアロゲル（99％が宇宙）で作られたコレクターアレイを使用した。これにより、高い衝突速度による損傷なしに彗星粒子を収集することができる。わずかに多孔質の固体コレクターとの粒子の衝突でも、それらの粒子は破壊され、収集装置が損傷することになる。巡航中、アレイは少なくとも7つの星間塵粒子を収集した。^[17]

2010年6月、宇宙航空研究開発機構（JAXA）の探査機「はやぶさ」は、 S型小惑星 25143イトカワに着陸し、小惑星のサンプルを地球に持ち帰った。2010年11月、同機構の科学者らは、サンプル採取装置の故障にもかかわらず、探査機が小惑星から数マイクログラムの塵を採取したことを確認した。これは地球に無傷の状態で持ち帰られた初めての事例である。^[18]

ロシアのフォボス・グルントは、火星の衛星の一つであるフォボスからサンプルを持ち帰るために計画された失敗したサンプルリターンミッションである。2011年11月8日に打ち上げられたが、地球の軌道を離れることに失敗し、数週間後に南太平洋に墜落した。^{[19] [20]}

宇宙航空研究開発機構（JAXA）は、2014年12月3日に改良型はやぶさ2宇宙探査機を打ち上げた。はやぶさ2は2018年6月27日に目標の 地球近傍 C型小惑星 162173リュウグウ（旧称1999 JU 3 ^{）に到着した。 [21]} 1年半にわたって小惑星を調査し、サンプルを採取した。2019年11月に小惑星を離れ^{[22] [23]}、2020年12月6日に地球に帰還した。^[24]

オシリス・レックス探査機は、小惑星101955ベンヌからサンプルを持ち帰るミッションで、2016年9月に打ち上げられた。^{[25] [26]}サンプルによって、科学者は太陽系誕生前の時代、惑星形成の初期段階、生命の形成につながった有機化合物の源について、より詳しく知ることができると期待されている。^[27]探査機は2018年12月3日にベンヌ付近に到達し、^[28]数か月かけてサンプル採取対象領域の表面分析を開始した。2020年10月20日にサンプルを採取し、^{[29] [30]} 2023年9月24日に地球に着陸した。これにより、オシリス・レックスは人類が地球外天体からサンプルを持ち帰る5回目の成功したサンプルリターンミッションとなった。^{[31] [32] [33] [34]}サンプル容器が回収され、「テキサス州ヒューストンのジョンソン宇宙センターの気密室」に移送された直後に、容器の蓋が開けられた。科学者らは、最初の開封時に「OSIRIS-REx科学容器の航空電子機器デッキに黒い塵と破片を発見した」とコメントした。その後の研究が計画された。2023年10月11日、回収されたカプセルが開封され、小惑星サンプルの内容物が「初めて」明らかになった。^{[35] [36]} 2023年12月13日、返送されたサンプルのさらなる研究が報告され、有機分子や未知の物質が明らかになったが、その組成や構成をよりよく理解するにはさらなる研究が必要である。^{[37] [38]} 2024年1月13日、NASAは3か月の試行錯誤の末、ついにベンヌ小惑星のサンプルが入った回収容器を完全に開けたと報告した。^{[39] [40]}回収された物質の総重量は121.6グラム（4.29オンス）で、ミッションの目標の2倍を超えました。^[41]

中国の国家宇宙機関（CNSA）は、2020年11月23日と2024年5月3日にそれぞれ嫦娥5号と6号の月サンプルリターンミッションを打ち上げ、それぞれ2020年12月16日と2024年6月25日に2キログラムの月の土を地球に持ち帰った。 ^[42]これらは40年以上ぶりの月サンプルリターンミッションであった。^[43]月の裏側の南半球にあるアポロクレーター盆地に着陸した嫦娥6号ミッションは、これまでのすべての集合的な月サンプルが表側から収集されていたため、月の裏側からサンプルを回収した最初のミッションであった。^[44]

CNSAは、2025年に打ち上げが予定されている469219カモオアレワからサンプルを持ち帰る「天問2号」と呼ばれるミッションを計画している。 ^[45] CNSAは2030年までに火星サンプルリターンミッションを計画している。 ^{[46] [47]}また、中国宇宙機関は2020年代に実施される予定のケレスからのサンプル回収ミッションを計画している。^[48]

JAXAは、 2026年に打ち上げられる予定のフォボスへのサンプルリターンミッションであるMMXミッションを開発している。^{[49] MMXは}火星の両衛星を調査するが、着陸とサンプル収集はフォボスで行われる。この選択は、2つの衛星があること、フォボスの軌道が火星に近いこと、その表面に火星から吹き付けられた粒子がある可能性があることから行われた。したがって、サンプルには火星自体に由来する物質が含まれている可能性がある。^[50]サンプルを運ぶ推進モジュールは、2031年に地球に帰還する予定である。^[49]

NASAとESAは長い間、火星サンプルリターンミッションを計画してきました。^[51] 2020年に配備されたパーサヴィアランスローバーは、ドリルコアサンプルを収集し、火星表面に保管しています。^[52] 2023年9月現在、大気サンプル1つ、火成岩サンプル8つ、堆積岩サンプル11つ、レゴリスサンプル2つを収集しました。^[53] 2023年11月22日、NASAは資金不足のため火星サンプルリターンミッションを削減すると発表した。^[54] 2024年1月、NASAの提案した計画は予算とスケジュール上の考慮事項により異議を唱えられ、代替計画の調査が開始されました。^[55]

ロシアは、2027年までに月からサンプルを持ち帰るルナ・グロブ・ミッションと、 2020年代後半に火星からサンプルを持ち帰るマーズ・グルント・ミッションを計画している。 ^[要出典]

サンプル返却方法には、以下のものが含まれますが、これらに限定されません。

コレクターアレイは、さまざまな元素で作られたウェーハを使用して、数百万または数十億の原子、分子、微粒子を収集するために使用できます。これらのウェーハの分子構造により、さまざまなサイズの粒子を収集できます。ジェネシスで飛行したようなコレクターアレイは、最大限の収集効率、耐久性、分析識別性を確保するために超純粋です。^{[引用が必要]}

コレクター アレイは、太陽から太陽風を通じて放出されるような、小さくて高速で移動する原子を収集するのに便利ですが、彗星のコマに見られるような大きな粒子の収集にも使用できます。NASA の宇宙船スターダストはこの技術を実装しました。しかし、コマとその周辺を構成する粒子の速度とサイズが高速であるため、高密度のソリッド ステート コレクター アレイは実現可能ではありませんでした。その結果、宇宙船とサンプル自体の安全性を確保するために、サンプルを収集するための別の手段を設計する必要がありました。^{[引用が必要]}

エアロゲルはスポンジのような構造を持つシリカベースの多孔質固体で、その体積の99.8%は空間です。エアロゲルの密度はガラスの約1/1000です。スターダスト宇宙船でエアロゲルが使用されたのは、宇宙船が収集する塵粒子の衝突速度が約6km/sだったためです。その速度で高密度の固体と衝突すると、その化学組成が変化したり、完全に蒸発したりする恐れがあります。^[56]

エアロゲルはほぼ透明で、粒子は表面を貫通するとニンジン型の経路を残すため、科学者は簡単にエアロゲルを見つけて回収することができます。エアロゲルの細孔はナノメートルスケールであるため、砂粒よりも小さい粒子でさえ、エアロゲルを完全に通り抜けることはありません。代わりに、粒子は減速して停止し、その後エアロゲルに埋め込まれます。スターダスト宇宙船には、エアロゲルが取り付けられたテニスラケット型のコレクターが搭載されています。コレクターはカプセル内に収納され、安全に保管され、地球に返送されます。エアロゲルは非常に強力で、打ち上げと宇宙環境の両方で簡単に耐えることができます。^[56]

最も危険で困難なサンプルリターンミッションの中には、小惑星、月、惑星などの地球外天体への着陸を必要とするものがあります。このような計画を開始するだけでも、多大な時間、費用、技術力が必要です。打ち上げから着陸、回収、地球への打ち上げまで、すべてを高精度かつ正確に計画する必要がある困難な偉業です。^[要出典]

このタイプのサンプルリターンは、最もリスクが高いものの、惑星科学にとって最もやりがいのあるものです。さらに、このようなミッションは、一般市民への啓蒙活動の可能性が非常に高く、これは宇宙探査において一般市民の支援を得る上で重要な特性です。このタイプのロボットによるサンプルリターンミッションで成功したのは、ソ連のルナと中国の嫦娥着陸機だけです。他のミッションでは、さまざまな方法で小惑星から物質を収集しましたが、重力が非常に低いため、「着陸」せずに行いました。^[要出典]

• NASA による月サンプル概要
• NASA によるスターダスト サンプル カタログ データベース
• NASA によるジェネシス太陽風サンプルカタログ
• NASAによるはやぶさのサンプル
• 火星探査：サンプルリターン ジェット推進研究所火星探査プログラムによるサンプルリターンミッション。
• スターダスト ホームページ ジェット推進研究所スターダストミッションの Web サイト。
• ジェネシス ミッション ホームページ ジェット推進研究所のジェネシスミッションの Web サイト。
• Stardust: エアロゲルエアロゲル技術に関するStardust のWeb サイト。
• JAXA はやぶさ JAXAはやぶさプロジェクトを更新しました。
• 惑星衛星および太陽系小天体から持ち帰られたサンプルの生物学的潜在能力の評価 全米アカデミーズ、宇宙科学委員会 1998