たまたま私たちの隣にあるので、私たちは金星について完全に理解していると想像できるかもしれません。しかしそれは間違いです。 NASA は 30 年以上この惑星を訪れていないが、その地質学的歴史から表面にある岩石の種類まで、この場所についてはほとんど理解できていないことが多く、その環境の大部分は である。
科学者たちは、金星は いたと考えていますが、この 2 つは進化のある時点で分岐し、現在の大きく異なる場所になったと考えています。金星には熱を保つ厚い大気があり、太陽系で最も熱い惑星となっていることがわかっています。そして、その表面が山、地溝帯、火山で覆われていることはわかっていますが、それらが今も活動しているかどうかはわかりません。
金星について不明な点がまだ多い理由の 1 つは、厚い大気が地形の大部分を視界から隠しており、雲の層を通してその下にあるものを見るのが難しいことです。もう一つの理由は、そこがぞっとするほど人を寄せ付けない場所だということだ。焼成温度と酸に満ちた濃厚な大気の間で、人工物は数分間以上その表面に残存していません。
しかし、隣にあるこの神秘的な惑星についてもっと知りたければ、そこを訪れる必要があります。そして、それはまさに NASA の DAVINCI ミッションが計画していることです。探査機を大気中に投下して、地表に落ちるまでずっと測定値を取得します。このミッションは今後10年間に行われる金星への のうちの1つで、2029年に打ち上げられ、2031年に金星に到着して大気圏を急降下する予定だ。
この地獄のような環境に耐える探査機をどのように構築するのか、そしてそこから何を学べるのかを知るために、私たちは DAVINCI チームの 2 人のメンバー、つまりミッションの主任研究員である Jim Garvin とシステム プロジェクト エンジニアの Mike Sekerak に話を聞きました。
金星の大気はどうなっているのでしょうか？
金星は惑星科学のフロンティアを表しており、私たちから比較的近い距離にあることを考えると、ほとんどわかっていません。雲の上層の下で何が起こっているのかは、特に興味深い質問です。
「雲のてっぺんから地表に至る大気、質量の75%が下層15～20キロメートルにあるこの大きくて重い大気の特徴は、ほとんど解明されていない」とガービン氏は言う。
1960 年代と 1970 年代に金星に送られた探査機は大気に関するデータの収集を試み、ある程度の成功を収めました。しかし、以前の大気の測定は、入口の詰まりなどの以前のプローブの物理的な問題や利用可能な技術が限られていたため、信頼性が低かった。そのため、いくつかの解釈が混乱することになり、ガービン氏は「それらのいくつかは意味をなさない」と述べています。
特に下層大気は多くの意味で謎に包まれています。それは、温度と圧力が非常に高く、液体のように飛び跳ねる超臨界流体である可能性があります。地球の表面の岩石が大気とどのように相互作用するかという問題もあります。
そして、大気と表面を研究することは、金星について私たちが抱いている最大の疑問の 1 つを解決するのに役立つかもしれません。それは、金星の表面にかつて液体の水の海があったのか、もしあったとしたら、それらに何が起こったのかということです。
2 つの大きな課題
金星は探査機にとって歓迎できる場所ではありません。金星はオーブンの 2 倍の温度があり、海面 1 キロメートル以下にある場合よりも地表の圧力が高くなります。
「ここで私たちが抱えている技術的な課題は、非常にエキサイティングなものです」とセケラック氏は語った。金星への潜在的なミッションにおける最大の問題は、表面温度が華氏 900 度 (摂氏 475 度) にも達する可能性があるため、暑さです。それは鉛を溶かすのに十分な熱であり、電子機器に大混乱を引き起こします。
ただし、それは環境問題の一部にすぎません。 「しかし、困難という点ではプレッシャーも負けていない」とセケラック氏は語った。地表の圧力は約 95 バール、つまり地表の大気圧のほぼ 100 倍であるため、この種の環境に合わせて探査機を設計することは、潜水艦を建造することに似ています。
DAVINCI は大気圏に投下されると、熱と圧力によってコンポーネントが破壊される前に、必要な情報をすべて収集するのに時間との戦いになります。プローブをできるだけ長くアクティブに保つために、プローブは球形で、圧力に耐え、熱を遮断するために厚いチタンのシェルで覆われています。そして、このシェルの内側には、溶融石英から作られた繊維の一種であるアストロクォーツを含む特別な素材で作られたさらなる断熱材があります。
内部はコンポーネントを外部から熱的に隔離し、シェルからの熱の伝達を防ぐように設計されています。次に、高電圧電子機器を火花から保護し、打ち上げ中に地球ガスが漏れるのを防ぐために、二酸化炭素ガスが充填されます。
研究チームが「降下球」と呼ぶこの探査機は、全体的に直径約1メートルだ。探査機は降下を遅らせるためにパラシュートでオービターから放出されるが、探査機の厚さが非常に厚いため、空気中よりも水中に落とすような感じになるため、大気がこれに役立つ。
探査機が地表に到達するまでに合計で 63 分かかり、過酷な環境によって必然的に破壊される前に、その 1 時間で可能な限り多くのデータを収集します。
ずっと下までサンプリング
降下球は大気中を落下し、下までサンプリングして、上から下までの大気の画像を構築します。
球体の内部には、火星探査機「キュリオシティ」や「パーサヴィアランス」に搭載されている機器と同様の分光計のような機器が設置され、サンプルが吸収する光の波長を調べることでサンプルの化学組成を測定できる。しかし、サンプルの収集と慎重な分析に数時間から数日かかる火星探査車とは異なり、DAVINCI は数分でサンプリングと分析を行う必要があります。
球体のさまざまな場所に入口バルブがあり、セラミックのカバーが壊れてガスを取り込みます。これらのガスは非常に迅速に分析し、その後、より多くのサンプルを採取できるように排気する必要があります。これにより、探査機はそのすべての層全体にわたる大気の化学的性質をこれまでで最も詳細に観察できるようになります。
これが起こっている間、探査機内の他のセンサーが温度や圧力などの要素を測定し、大気の構造を理解するのに役立ちます。その後、探査機が地表に衝突する前に、このすべてのデータがオービターに送り返されます。
この探査機は大気中へのサンプル採取のみを目的として設計されており、着陸は目的としていません。しかし、それが地表に到達した場合、生き残る可能性があります。厚い大気とパラシュートは降下速度を遅くするのに役立つだろうが、「宇宙飛行用のハードウェアとしては理想的とは言えない速度で衝突するのは間違いない」とセケラック氏は笑いながら語った。
ただし、探査機が着陸に耐えた場合、熱が球体に浸透して電子機器が壊れるまで、最長 20 分間データ収集が続く可能性があります。そして、それは、表面の温度と圧力、存在するガスに関するさらに多くのボーナスデータになります。
大気の化学的性質を理解することは、DAVINCI の目標の一部にすぎません。もう 1 つの部分は、一般の人にとって最も興味深いかもしれませんが、神秘的な金星の表面の写真を撮ることです。
人間スケールの金星
探査機は「金星の山脈、これまで人類が見たことのない一種の地形」に落下するだろうとガービン氏は語った。そしてチームは、この経験を化学的だけでなく視覚的にも記録したいと考えています。
降下球には、地表の高コントラスト画像を撮影するカメラも搭載されており、これを 3D マップに構築できます。
ただし、金属球の内部からカメラを操作するには、窓が必要です。また、ガラスは非常に高圧の環境に対処するのには適した材料ではありません。そのため、DAVINCI の窓はガラスではなくサファイアで作られています。
「文字通り、とてもとても大きなサファイアです」とセケラック氏は語った。 「優れた光学特性を持っているからです。」非常に強力でありながら非常に鮮明なので、それを通して撮影した画像が歪むことはありません。しかし必然的に、光を取り込む窓はより多くの熱も取り込むことになるため、エンジニアは窓アセンブリの周囲に相変化材料を追加しました。この材料は特定の温度で溶けて窓からの余分な熱を吸収します。
これにより、カメラは降下中に鮮明で鮮明な画像を撮影できるようになります。これらは、金星の地形を上空から地表そのものまで撮影するために使用されます。
「最終的な画像の解像度は 10 センチメートルになります」と Garvin 氏は言いました。 「それは、リビングルームを見渡すと見えるスケールです。」
ガービン氏は、豊富な科学データを提供するだけでなく、このスケールで画像を撮影することで、一般の人々が金星を単に遠くから観察できる点ではなく、実際の場所として見ることができると感じられるようにしたいと考えている。
「私たちは人間の視覚と感覚を金星にもたらしたいと考えています」と彼は言いました。 「私たちは人間のスケールで金星を感じ始めるでしょう。」
未知のものをテストする
金星へのミッションの本当に難しい部分は、温度や圧力など、私たちが知っている課題に対処することでさえありません。私たちがほとんど情報を持っていない環境からどのような課題が生じるかを予測しようとしています。
だからこそ、テストと準備は、2029 年に予定されている打ち上げに備えて、DAVINCI チームが今後 7 年間行うことの大きな部分を占めることになります。
「私たちは最悪の場合のテストを行っています」とセケラック氏は説明した。 「そこで私たちは、考えられる最悪の環境をテストします。」
たとえば、研究者らは、金星の雲には硫酸が滴り落ちており、硫酸は物質を侵食することを知っています。特に懸念されるのは、降下球をパラシュートに取り付けるケブラー製のストラップです。したがって、ストラップが酸性環境に耐えられるかどうかをテストするために、エンジニアはストラップを数滴の酸の中に吊るすだけではなく、表面全体を酸でコーティングしてから、ストラップの引っ張り強度をテストして、ストラップが十分に長く耐えられるかどうかを確認します。最悪の場合でも、探査機は大気中を通過します。
地球とは異なる環境でハードウェアをテストする方法については、創造性を発揮する必要があります。金属球が加熱されるまでにどれくらい時間がかかるかを調べるために、チームはそれを金属鋳造所に持ち込んだ。 「彼らの仕事は金属を溶かすことです」とセケラック氏は言う。 「そして、私たちはそこに機器を置き、熱くなることを練習し、熱の流れを測定しました。」
そのアイデアは、惑星が球体に投げ込む可能性のある未知のものが何であっても許容できるように、すべての重要なシステムに十分なマージンを構築することです。 Garvin 氏は次のように説明しました。「私たちは、これを行う方法に…多くのエンジニアリング上の考え方とリスク軽減を組み込んできました。」
これはデータの収集方法にも影響します。 「金星で良い一日を過ごせれば、おそらく 500 枚の降下画像が戻ってくるでしょう」と彼は言いました。 「人類にとって最悪の日があったとしても、おそらく 35 は戻ってくるでしょう。しかし、35 という数字は、この種のマッピングを行うのに必要な数字をはるかに超えています。」もちろん、より多くの画像はより多くの情報を意味し、より多くの科学を可能にするので、それは好ましいことです。しかし、最悪の状況であっても、貴重な情報が得られるでしょう。
常に何か新しいことを学ぶ
金星訪問は、大規模な宇宙ミッションの野心的な基準から見ても、非常に大きな挑戦です。しかし、私たちが学べることの潜在的な見返りは非常に大きいです。
金星について学ぶことは、それ自体が興味深いものとなるでしょう。しかし、それは系外惑星を理解する上でも重要です。ジェームズ・ウェッブ宇宙望遠鏡のようなミッションでは、太陽系外の新しい惑星を発見して調査するため、地球、火星、金星のような岩石惑星の基準点が必要になります。
私たちは地球と火星の本質的な特徴をかなりしっかりと理解しているので、金星のデータを追加することで、遠く離れた惑星についてさらによく理解できるようになります。
「金星は、ウェッブやその先にある大きな望遠鏡で見て理解できる、大きな岩石のような大気を持った惑星の校正点になるだろう」とガービン氏は語った。
そしてもちろん、学び、探検し、新しい場所に旅行するという最も人間的な本能があります。 「これが、私が宇宙探査ミッションに取り組むのが好きな理由の一つです。私たちは、あまり知らない場所へ行くのです」とセケラック氏は語った。
私たちは地球と火星の環境のための建築について多くのことを学び、今ではその知識の一部を別の場所に応用できるようになりました。その環境を構築することで私たちのテクノロジーは拡張され、探査機でその環境を訪れることで、その謎の一部を解き明かし始めることができます。セケラック氏が言うように、新しい宇宙環境を訪れると、「常に何か新しいことを学ぶことができます」。