最近宇宙ニュースを追いかけている人なら、おそらく火星サンプル リターンについて聞いたことがあるでしょう。これは、火星の岩石のサンプルを収集し、研究のために地球に持ち帰るという NASA の野心的な計画です。このミッションは今年後半に打ち上げられる予定だが、サンプルを収集して回収するには数年かかり、非常に費用がかかるプロセスになるだろう。
しかし、訪問可能な距離にある惑星は火星だけではありません。私たちのもう一つの惑星の隣人、金星に飛び乗って、そこからもサンプルを集めてみませんか?
それはまさに金星研究者のグループによって提案されているものです。提案グループのリーダーに詳しく話を聞きました。
時代が来た古い考え
科学者たちは金星からサンプルを採取しようとするメリットについて何十年も議論しており、ミッションの概念は1980年代に遡って研究されていた。火星は近年最も注目を集めている惑星ですが、惑星科学コミュニティでは金星についてさらに学ぶことに強い関心が寄せられています。特に、金星は太陽系外の他の惑星についての理解を深めるのに役立つ可能性があるためです。
現在、NASAが 開始し、欧州宇宙機関のミッションとともに金星を訪れる2つのミッションを開始しており、すべて次の10年に予定されている。
これまでの金星サンプルミッションは、金星よりも火星に焦点を当てていたこと、このような複雑な運用を可能にする技術が不足していたこと、そして金星の本質的な不親切さなどの理由により、軌道に乗ることができなかった。金星は高温で大気が非常に濃いため、電子機器が動作するには非常に厳しい環境となっています。
金星に飛行し、探査機を地表に送り、サンプルを収集し、そのサンプルを軌道に戻してから地球に戻そうとすると、法外な費用がかかり、また大幅な技術開発が必要になります。
だからこそ、フランスの研究者グループは異なるアプローチをとっている。金星の表面の一部を収集しようとする代わりに、その大気の一部を取得しようとする必要があります。金星大気サンプルリターンミッション（VATMOS-SR）は、パリ惑星物理学研究所のグループによるミッションコンセプトであり、そのアイデアへの支持を集めようとしている。
このアプローチの大きな利点は、比較的簡単であることです。地表に何かを着陸させたり、軌道に戻ったりする必要はありません。代わりに、1 機の宇宙船を地球から離れて金星に向かう経路に送り、そこで大気圏に突入し、ボトルに約 4 リットルのガスを充填することができます。その後、地球に戻って旅を続けるでしょう。
宇宙船には計器がなく、測定値も取得されません。ただの収集車になります。これにより、より安全、簡単、そして安価になると主任研究員ギョーム・アヴィス氏はデジタル・トレンドに説明した。
「弾道の軌道に沿って大気中をかすめるだけです」とアヴィス氏は言う。 「つまり、そこに行ってサンプルを採取し、地球に戻るには1年しかかかりません。」
長期的な計画を立てる
最近の惑星科学ミッションでは、通常、機器 (火星探査車に搭載されているものなど) をある場所に送り、測定を行わせることが含まれます。このアプローチでは、物質を収集して地球に持ち帰ることを推奨しています。地球では、調査に使用できるより高性能で多様な機器が利用できます。
別の惑星からの貴重なサンプルを使用すると、少量でも大きな効果が得られます。数リットルのガスのサンプルは、科学者を何年も忙しくし続ける可能性があります。
「本当に素晴らしいのは、大量のガスが得られ、それを永久ではなく、地球上で長期間にわたって測定できることです」とエイヴィス氏は説明した。 「考えてみれば、そのサンプルを少しだけ保存しておくことはできます。おそらく10年以内に、このサンプルに役立つ新しい分光計が地球上にできるでしょう。」
この将来の計画は、NASA がアポロ計画の月面探査中に収集された月のサンプルにどのように取り組んできたかを考えると納得がいきます。一部のサンプルは地球に戻されるとすぐに分析されましたが、その他のサンプルは将来のテクノロジーによって新たな深さで分析できるようになるだろうと考えて保管されました。そしてその長期的な取り組みが功を奏し、 ちょうど昨年、50年前のサンプルが開封され 、月の地質と歴史に関する情報が明らかになった。
金星の大気の同様のサンプルを採取することができれば、その大部分は長期保存される可能性もあります。また、研究者はガスサンプルのほんの一握りの原子からも恩恵を受けるため、金星コミュニティ全体に研究材料を提供するには数リットルのサンプルで十分です。
ダヴィンチと呼ばれる今後の金星探査ミッションでも同様の大気測定が計画されているが、この場合はリアルタイムクランチが発生する。このミッションには、大気中を通過するサンプル球の落下が含まれるため、サンプルの採取と処理はわずか 1 時間以内に行われなければなりません。
これにより、数十年前の金星探査では問題が発生し、おそらく誤った校正または通気口の詰まりが原因で、検出結果が文字化けする結果となりました。エンジニアはサンプリングで起こり得る問題を予測するために最善を尽くしますが、ミッションが突入する環境について不明な点が非常に多い場合、それを行うのは困難です。
しかし、サンプルが地球に持ち帰られれば、機器を校正して結果を再確認する時間が十分にあり、結果の信頼性が高まります。
非常に高速でサンプルを採取するには、いくつかの複雑な問題があります。サンプルが非常に速く収集されると、分別と呼ばれるプロセスが発生し、サンプルがさまざまな部分に分割される可能性がありますが、これを修正することは可能です。
大気サンプリングミッションはどのように機能するのか
しかし、これまで誰も金星サンプル帰還ミッションを試みなかったのには十分な理由があります。それは簡単ではないからです。
金星サンプルリターンミッションと明らかな類似点は、2020年代後半に打ち上げ予定のNASAと欧州宇宙機関の共同事業である火星サンプルリターンミッションだろう。火星からサンプルを収集するこの計画には、複数の探査機、着陸機、ヘリコプターが関与しており、数十年かけて計画されており、熱烈な火星愛好家さえも懸念するほど予算が膨れ上がっています。
そして、金星は火星よりもさらに住みにくく、厚い大気、硫酸の雲、そして海の深さに匹敵する圧力があります。金星の表面からサンプルを持ち帰ろうとする試みは「悪夢」であり、「おそらく火星よりもさらに費用がかかるだろう」とエイヴィス氏は述べた。
だからこそアヴィス氏のグループは、代わりに地球の大気からサンプルをすくうことを提案しているのだ。 「非常に安いですね」と彼は相対的に言った。同グループは、このようなミッションの費用を1億ユーロ（1億1,000万ドル）と見積もっているが、火星サンプルリターンの 現在の見積もりは80億～90億ドル である。
ただし、大気サンプルが比較的簡単に採取できるとしても、古い大気の一部があれば十分というわけではありません。非常に高い高度では、大気は非常に薄く、一部の分子は重力によって分離されます。したがって、代表的なサンプルを取得するには、ホモポーズと呼ばれるレベルよりも下に行く必要があります。このレベルより下では、大気は存在するすべての異なる分子を含むのに十分によく混合されます。
金星の同界面は地表から約 110 km (70 マイル) の距離にあるため、ミッションはそのレベルより下に到達する必要があります。しかし、深く行けば行くほど、ミッションは難しくなります。 「したがって、目標は、ある程度の安全マージンを持って、ホモポーズの直下にあることです」とアヴィス氏は言う。 「さらに深く掘り下げると、はるかに困難で費用がかかるものになります。」
課題
しかし、地球の大気を通過するだけでも困難です。大きな課題の 1 つは、大気中の摩擦によって蓄積される膨大な熱から宇宙船を安全に保つという問題です。
火星のような別の惑星を訪れる宇宙船であろうと、私たちの惑星の大気圏を通って地球に帰還する宇宙船であろうと、惑星の大気圏に突入する宇宙船には、内部の繊細な部品を非常に高い温度から守る厚い熱シールドが備わっています。
たとえば、探査機を火星に届けるには、探査機を熱シールドで包み、次に探査機と熱シールドを一緒に、スラスターやその他の宇宙船の部品とともに、打ち上げ用のロケットのノーズコーンに全体を密閉する必要があります。宇宙に到着すると、宇宙船は展開されて火星に向かい、その後、探査機が大気圏を通過して着陸する際に熱シールドが探査機を保護します。
ただし、大気サンプルのミッションでは、金星でのサンプル採取時とサンプルを地球に戻す際の 2 回機能させるために 1 つの熱シールドが必要になります。現在の熱シールド技術が、このような 2 回の暴露から宇宙船を保護するという任務に耐えられるかどうかは明らかではありません。
ヒートシールドを2回機能させることは、「どうすればよいのか、私たちにはまったくわかりません」とアヴィス氏は言う。そして、それが可能だったとしても、機能するには何年も開発が必要になるかもしれません。
サンプルが地球に戻ったらどうするか
もう一つの課題は驚くべきものです。サンプルを収集するのは大変なことだが、地球に戻ってしまえば分析するのは簡単だと思うかもしれない。しかし、ガスサンプルを扱うのは想像以上に難しいことが分かりました。
金星の大気には、揮発性物質と呼ばれる蒸発しやすい物質が多く含まれています。これらには、窒素、水素、炭素、硫黄などの希ガスや化合物が含まれます。これらを研究することは金星の大気を理解する鍵となりますが、輸送したり研究したりするのは簡単ではありません。
揮発性物質をサンプルボトルに適切に閉じ込めるには、非常に優れたバルブが必要です。これは、サンプルが漏れないようにするためと、地球の大気など他の環境からのガスが漏れないようにするためです。これは、はやぶさ 2 ミッションにとって問題でした。小惑星からサンプルを持ち帰ることに成功したが、地球への帰還中にパラシュート展開時の衝撃が原因と考えられる 地球大気の漏洩が 発生した。
たとえサンプルが漏れもなく完全に元の状態で地球に戻ったとしても、サンプルをボトルからより安全な容器に移すために迅速に移動する必要があります。最も密閉性の高いバルブであっても、何か月も経つと多少は漏れてしまうため、サンプルから漏れたものをすべて捕捉し、可能な限り保存できる複数の容器からなるシステムが必要です。
研究者らは、 はやぶさ２のサンプルに使用された ものを含め、 ガスを抽出して分析するための真空システムを 開発していますが、これはまだ新しい技術分野であり、大気サンプル帰還ミッションを完全に効果的にするには開発する必要があります。
惑星科学の未来: 現場 vs サンプルリターン
大気サンプリングのミッションはまだ構想段階にあり、同グループは欧州宇宙機関、あるいはおそらくNASAへの次の提案ラウンドで取り上げられることを期待している。
これは野心的な計画ですが、数年前にあったような突飛なコンセプトではありません。 「数十年前、サンプルリターンは単なる夢であり、それほど真剣なものではありませんでした」とアヴィス氏は述べましたが、はやぶさ2のような以前のミッションや、火星サンプルリターンのような今後のミッションにより、それは現実的な可能性になりつつあります。
そして、地球と金星の間で可能な軌道と、宇宙船が減速して地表に到達し、軌道に戻る必要がないため、サンプルの帰還が比較的迅速かつ安価に実行できることを示す可能性があります。地球に帰還する前に。
このミッションは、簡単に行ったり来たりして、1 年以内にサンプルを返送する可能性があります。
「本当に素晴らしいのは、火星からサンプルを入手する前に金星の大気サンプルを入手できることです」とアヴィス氏は語った。 「つまり、それは他の惑星からの最初のサンプルとなるでしょう。」