サンプルリターンミッション

1969年7月、アポロ11号は、22キログラム（49ポンド）の月面物質を持ち帰り、太陽系外天体からのサンプルリターンに初めて成功した。これに続き、アポロ12号からは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号からは42.8キログラム（94ポンド）、アポロ15号からは76.7キログラム（169ポンド）、アポロ16号からは94.3キログラム（208ポンド）、アポロ17号からは110.4キログラム（243ポンド）の物質が持ち帰られた。アポロ計画全体では、月の土壌を含む382キログラム（842ポンド）を超える月の岩石とレゴリスがヒューストンの月面受入研究所に持ち帰られた。^{[ 9 ] [ 10 ] [ 11 ]}現在、サンプルの75%は1979年に建設された月面サンプル研究所施設に保管されている。 ^{[ 12 ]}        

1970 年、ソ連の無人探査機ルナ 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)を、 1976 年にルナ 24号が170 グラム (6.0オンス)を持ち帰った。アポロ計画に比べると回収量ははるかに少なかったが、これらは完全に自動で行われた。これら 3 つの成功を除けば、ルナ計画の他の試みは失敗に終わった。最初の 2 つ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 月にアポロ 11 号の直前に行われた。ルナ E-8-5 No. 402 は開始時に失敗し、ルナ 15号は月に墜落した。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、 1975年のルナE-8-5M号412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た。^{[ 13 ]}   

1970年、ソビエト連邦は火星5NM計画で1975年に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、このロケットは一度も成功したことがなく、ミッションは火星5M計画へと発展した。火星5M計画では、より小型のプロトンロケットによる二段打ち上げとサリュート宇宙ステーションでの組み立てが行われた。この火星5Mミッションは1979年に計画されたが、技術的な問題と複雑さのために1977年に中止された。^{[ 14 ]}

1996年から1997年にかけてミール宇宙ステーションで18ヶ月間実施された軌道デブリ収集（ODC）実験では、エアロゲルを使用して、惑星間塵と人工粒子を含む低地球軌道からの粒子を捕獲した。^{[ 15 ]}

地球外サンプルを持ち帰る次のミッションは、2004年に地球軌道外から太陽風サンプルを地球に持ち帰ったジェネシスミッションでした。残念ながら、ジェネシスカプセルは地球の大気圏に再突入する際にパラシュートを開くことができず、ユタ砂漠に墜落しました。深刻な汚染やミッション全体の失敗が懸念されましたが、科学者たちは多くのサンプルを救出することに成功しました。これらは月軌道外から採取された最初のサンプルでした。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収集アレイを使用しました。それぞれのウェハーは、太陽風の異なる部分を収集するために使用されました。^{[ 16 ]}

ジェネシスに続いて、NASAのスターダスト探査機が2006年1月15日に彗星のサンプルを地球に持ち帰りました。スターダストはワイルド2彗星を安全に通過し、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ました。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）で作られた収集アレイを使用しました。これにより、衝突速度が速くても彗星の粒子を損傷することなく収集できます。粒子がわずかに多孔質の固体収集器に衝突すると、粒子が破壊され、収集装置が損傷します。巡航中、アレイは少なくとも7個の星間塵粒子を収集しました。^{[ 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イトカワとのランデブー（および着陸）後、小惑星のサンプルを地球に持ち帰った。2010年11月、同機関の科学者たちは、サンプリング装置の故障にもかかわらず、探査機が小惑星からマイクログラムの塵を採取したことを確認した。これは、原始的な状態で地球に持ち帰られた最初の塵である。^{[ 18 ]}

ロシアのフォボス・グルントは、火星の衛星フォボスからサンプルを持ち帰ることを目的としたサンプルリターンミッションでしたが、失敗に終わりました。2011年11月8日に打ち上げられましたが、地球の軌道を離れることができず、数週間後に南太平洋に墜落しました。^{[ 19 ] [ 20 ]}

JAXAは2014年12月3日に改良型宇宙探査機「はやぶさ2」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（以前は1999 JU 3と命名されていた）に到着した。 ^{[ 21 ]}はやぶさ2は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 ]}

OSIRIS -RExミッションは、小惑星101955ベンヌからサンプルを持ち帰るミッションとして2016年9月に打ち上げられました。^{[ 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起源についてより深く理解できると期待されています。^{[ 27 ]} 2018年12月3日にベンヌに接近し、^{[ 28 ]}その後数ヶ月かけて表面を分析し、サンプル採取の目標領域を特定しました。2020年10月20日にサンプルを採取し、^{[ 29 ] [ 30 ]} 2023年9月24日に地球に帰還しました。これにより、OSIRIS-RExは地球外天体からのサンプル持ち帰りミッションとして、人類にとって5番目の成功例となりました。^{[ 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」に移された直後、容器の蓋が開けられた。科学者たちは、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が見つかった」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けられ、小惑星サンプルの内容物の「最初の観察」が行われた。^{[ 35 ] [ 36 ]} 2023年12月13日、持ち帰られたサンプルのさらなる研究が報告され、有機分子と、その組成と構成をよりよく理解するためにさらなる研究が必要な未知の物質が明らかになった。^{[ 37 ] [ 38 ]} 2024年1月13日、NASAは、3か月の試みの後、ついに小惑星ベンヌから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121.6g （4.29オンス）で、ミッションの目標の2倍以上だった。^{[ 41 ]}  

中国の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2キログラムの月の土壌を携えて2020年12月16日と2024年6月25日に地球に帰還した。 ^{[ 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だった。^{[ 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、それまでの月サンプルはすべて月の表側から採取されていたため、月の裏側からサンプルを回収した最初のミッションとなった。^{[ 44 ]}

CNSAの天問2号は、 469219カモオアレワからサンプルを持ち帰る目的で2025年5月に打ち上げられた。^{[ 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 ]}

JAXAは、 2026年に打ち上げ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。^{[ 48 ]} MMXは火星の2つの衛星を調査するが、着陸とサンプル採取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く、表面には火星から吹き飛ばされた粒子が存在する可能性があるためである。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。^{[ 49 ]}サンプルを搭載した推進モジュールは2031年に地球に帰還する予定である。^{[ 48 ]}

NASAとESAは長年、火星サンプルリターンミッションを計画してきた。^{[ 50 ]} 2020年に展開されたパーサビアランス探査車は、ドリルコアサンプルを収集し、火星表面に保管している。[ 51 ] ^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つを収集している。^{[ 52 ]} 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縮小すると発表した。^{[ 53 ]} 2024年1月、予算とスケジュールの考慮事項により、提案されたNASAの計画に異議が唱えられ、代替案の調査が開始された。^{[ 54 ]}

ロシアは、2027年までに月面からサンプルを持ち帰るためのルナ・グローブ計画と、 2020年代後半に火星からサンプルを持ち帰るためのマーズ・グルント計画を計画している。

集光アレイは、異なる元素で作られたウェハーを用いて、数百万個または数十億個の原子、分子、微粒子を収集するために使用できます。これらのウェハーの分子構造により、さまざまなサイズの粒子を収集することが可能です。ジェネシスに搭載されているような集光アレイは、最大限の収集効率、耐久性、および分析上の識別性を確保するために、超高純度で作られています。

集光アレイは、太陽風によって太陽から放出されるような、小さくて高速な原子を収集するのに役立ちますが、彗星のコマに含まれるような大きな粒子を収集するためにも使用できます。NASAの宇宙船「スターダスト」はこの技術を採用しました。しかし、コマとその周辺領域を構成する粒子の速度と大きさが非常に大きいため、高密度の固体集光アレイは実用的ではありませんでした。そのため、宇宙船とサンプル自体の安全性を確保するために、別のサンプル収集方法を設計する必要がありました。

エアロゲル

エアロゲルは、スポンジ状の構造を持つシリカベースの多孔質固体で、体積の99.8%が空隙です。エアロゲルの密度はガラスの約1/1000です。スターダスト探査機では、探査機が収集する塵粒子の衝突速度が約6  km/sであるため、エアロゲルが使用されました。この速度で密度の高い固体に衝突すると、塵粒子の化学組成が変化したり、完全に蒸発したりする可能性があります。^{[ 55 ]}

エアロゲルはほとんど透明で、粒子が表面を貫通するとニンジン型の軌跡を残すため、科学者はそれらを簡単に見つけて回収できます。そ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過することはありません。代わりに、粒子は減速して停止し、エアロゲルの中に埋め込まれます。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収集器があります。収集器は、安全に保管して地球に持ち帰るためにカプセルに格納されます。エアロゲルは非常に丈夫で、打ち上げと宇宙環境の両方に容易に耐えることができます。^{[ 55 ]}

小惑星、月、惑星などの地球外天体への着陸を伴うサンプルリターンミッションのリスクと困難さは、主に計画開始に必要な時間、資金、技術資源によって決まります。打ち上げ、着陸、回収、そして地球への帰還まで、すべてが円滑に進むためには、高い精度と正確さが求められます。

この種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有益なものです。さらに、このようなミッションは、一般への情報発信の可能性も大きく、これは宇宙探査において国民の支持を得る上で重要な要素となります。この種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の月着陸船のみです。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採取しましたが、小惑星の重力が非常に低いため、「着陸」は行いませんでした。