地球外生命体を解き明かす「鍵」！氷の天体で生命を検出するにはどうすればよいでしょうか?

太陽系では、エウロパやエンケラドゥスに代表される氷の天体は生命が存在する可能性が非常に高く、21 世紀の人類が抱く地球外生命に関する究極の疑問に答えてくれるかもしれません。しかし、現在の宇宙探査機はすべて探査のために水に入ることができません。 Exo-AUV は、氷殻、氷水界面、海底などの潜在的領域での生命探査ミッションを実行できるため、多くの国の宇宙機関から大きな期待が寄せられています。具体的にどこで、どのような方法に基づいて、どのような Exo-AUV 機器と技術を開発し、どのような目標を達成するかが、将来の氷上生命体探査ミッションにおける重要な課題です。

ハルビン工程大学船舶海洋工学部知能海洋航行体国家重点研究室の王斌氏と秦宏徳氏は、エウロパを仮想ターゲットとして、氷体生命体探査ミッションの科学的目的、探査対象、探査可能領域、生物起源分析について議論し、Exo-AUVに基づく氷体生命体探査方法を提案した。さまざまな運用シナリオにおける Exo-AUV の主要な条件を分析し、船体、ペイロード、自律性に関する基本的な技術要件を提案しました。 Exo-AUVの研究背景、現状、既存の問題を紹介し、Exo-AUVのコンセプト開発技術ルートとマルチExo-AUVシステムの運用コンセプト（ConOps for MEAS）を提案しました。このシステムは、惑星科学者や宇宙生物学者が氷天体や強力な生物起源の痕跡、さらには現生および前生の化学システムを探査するのに役立つだろう。

この研究は、船舶および海洋工学における海洋ロボット工学と惑星科学および宇宙生物学の交差点です。関連する結果は、2024年に「サイエンス中国：地球科学」第11号に掲載されました。エウロパやエンケラドゥスなどの氷天体は、微生物が生存するための基本条件を備えています。氷天体の氷、氷水界面、海底など生命の可能性が高い場所で生命探査を行うことで、強い生体信号や生きている生命を発見できる可能性が高く、さらには生命誕生の疑問に答えられる可能性も高くなります。しかし、現在の宇宙探査機はすべて探査のために水に入ることができません。地球外自律型水中探査機（Exo-AUV）は、自律的かつ効率的に、その場での複数物体、複数スケール、多次元の検出を実現できます。これは、惑星科学者や宇宙生物学者が氷天体の探査や地球外生命体の探索を行う上で重要な機器となるでしょう。

本研究では、エウロパを例にとり、氷天体における生命探知の科学的目標として生命の可能性を利用することを提案した。生命の可能性は探知ミッションの仮説的含意に合致するだけでなく、二元的な結論を回避し、生命の信号、現存する生命、および生命以前の化学システムの発見に利用できるからである。生命の可能性を推測、評価、検証するには、多数の知覚可能な環境変数とパラメータに頼る必要があります。そのうちのいくつかは生命の証拠となる可能性があり、生命信号と呼ばれます。地球上にも、生命が繁栄している地域と、生命がまばらな地域があります。エウロパの生命の可能性を検出するには、生命の可能性と生命信号の可能性が高い領域を優先する必要があります。本研究では、類似環境仮説と生態学理論に基づいて潜在的領域の推論を提案し、氷、氷水界面、海底などの領域における生命潜在力と生命信号潜在力が最も顕著であると信じています。しかし、現在主流の検出方法は、一般的に生体起源の分析に重点を置いており、生体起源の高い信号を収集する方法については考慮されていません。貧栄養システムでは、生命の分布はまばらで不均一です。氷の下や海底など、理論的には生命の可能性が高い場所であっても、微弱な生体信号のみが収集された場合、バイナリ診断フレームワークやベイズ法のいずれでも信頼性の高い分析結果を生成することは困難です。

この研究では、完全な検出ミッションには仮説、サンプリング、分析、検証という少なくとも 4 つのステップが含まれるべきであると考えていることを強調しておく価値がある。 Exo-AUV とその氷貫通車両は、氷面下のほぼあらゆる潜在的な領域に到達でき、さまざまな科学的ペイロードを搭載することで、その場で、複数のオブジェクト、複数のスケール、および多次元のデータ収集と分析を実現できます。この研究では、生態学的ニッチの考え方に基づいて、氷天体内の生命を検出する新しい方法を提案しました（図1）。この方法を使用すると、Exo-AUV は、生命の潜在性が最も高い局所的な微小領域を自律的かつ効率的に推測し、相互に直交する強力な生体信号や生きている生命をさらに収集できます。さらに、氷天体の測定データを使用して、地球上で確立されたデータモデルを検証、改ざん、または修正することもできます。この方法は、Exo-AUV の水中検出機能を活用し、生物起源分析のために受動的に収集されたデータのみに依存するという欠点を回避します。これは、仮説、収集、分析、検証の 4 つのリンクを統合して、氷の天体上の生命を検出するための完全で閉ループの自律的に進化する手法を形成します。この方法は、限られたエネルギー貯蔵量、物質供給、および人間の介入の下で、エウロパの数百キロメートルの厚さで地球全体を覆う貧栄養の氷と水の層で、Exo-AUV が強力な生体信号、さらには現生生命や生命誕生前の化学反応を発見するのを助け、最終的に生命の可能性を検証するのに役立ちます。

図1 氷天体における生命の検出方法

この研究では、エウロパを例に、氷貫通検出、氷水界面検出、海底検出という3つの典型的な動作シナリオを、動作環境、測定対象、主要動作、探査機本体の4種類のシナリオ条件に分類して分析しました。ロケットの打ち上げ、惑星間飛行、エウロパの軌道への進入、氷面への着陸など、これまでのリンクの関連条件と組み合わせて、Exo-AUVとその氷貫通車両の主な技術要件が提案されました。

エウロパの氷殻と氷下の海は地球全体に広がっています。氷殻の厚さは数十キロメートルにも達し、海底の最深部における静水圧はマリアナ海溝の底の2倍にも達することがあります。氷貫通車両は、小型モジュール型核分裂炉（SMR）または放射性同位元素熱発生装置（RTG）の電源と熱源を備え、熱掘削ハイブリッド氷貫通法と省エネボートタイプを採用し、ソナーまたは合成開口レーダーを使用してナビゲーションを支援し、サイドノズルまたは補助熱を使用して操縦と障害物回避を支援し、氷殻を貫通し、Exo-AUVを水中に配置し、水中基地局として機能して、ナビゲーション、通信、データ交換、充電サービスを提供します。 Exo-AUV は耐圧船体材料で作られ、RTG 電源と高性能ナビゲーションおよび通信モジュールを装備しています。海中で一定の深度、速度、方向を保ちながら、さまざまな深度、広い範囲を長時間航行できます。可変浮力設計により滑空飛行を実現し、生存ポテンシャルの高い局所的な微小領域に接近・ホバリングし、必要に応じて氷上や海底で生活し、大規模から小規模までさまざまな規模の海域をカバーします。

広大な氷海空間にまばらかつ不均一に分布する強力な生物起源の信号と生命を発見するために、Exo-AUVとその氷貫通車両は、音響、視覚、スペクトル、電気化学、分析化学、細胞生物学、分子生物学の機器ペイロードを使用して、数キロメートルからサブマイクロメートルまでのさまざまな特徴的な長さを持つオブジェクトに徐々に焦点を合わせ、形態、構造、構成、動き、分布、物理化学などの多次元情報をその場で収集し、オンラインでニッチと生物起源の分析を完了するさまざまな科学的ペイロードを搭載する必要があります。エウロパは地球から非常に遠く離れており、打ち上げロケットの積載量は非常に限られています。氷の表面より上の領域は木星からの強い放射線の影響を受けるため、大量の保護材が必要になります。検出能力を確保しながら、微小電気機械システム（MEMS）技術を適用し、ペイロードの小型化と軽量化を実現しました。

エウロパと地球間の通信遅延は0.5時間にも及び、通信帯域幅とウィンドウ期間が非常に狭いため、頻繁な人間による介入や高スループットのデータ交換は不可能です。複雑な生命探査ミッションは探査機の自律性に依存することになる。まず第一に、Exo-AUV とその氷貫通車両は、音響、光学、その他の知覚方法に基づいて自律的に位置を特定し、ナビゲートし、経路を計画し、スラスタ、サーボ、浮力を制御して速度と姿勢を調整する必要があります。さらに、本研究で提案された探知方法に基づいて、Exo-AUV は科学的自律性も実現し、異なるスケールで潜在的領域を独立して推測およびスクリーニングし、探知ミッションを計画し、複数の科学的ペイロードを自律的に呼び出して直接または空中実験を通じてデータ収集と分析を完了し、生命の可能性と生命信号の可能性に関する仮説を自律的に検証し、計算モデルを自律的に更新し、重要なデータを自律的にスクリーニング、要約、分類、伝達できるようになります。

この調査では、海外で開発された Exo-AUV を調査し、既存の設計のほとんどは複雑な生命探知ミッションに対応できず、Exo-AUV プラットフォームの潜在能力を実現するにはほど遠いという結論に達しました。将来の氷天体生命探査ミッションがバイキング1号と2号の失敗を繰り返さないようにするために、本研究では、氷天体生命探査ミッションに基づいたExo-AUVの概念開発のための一連の技術的ルートを提案した。このルートには、Exo-AUV のコンセプトに影響を与える重要な要素が含まれており、開発者が科学的目標から始めて Exo-AUV で検出できる潜在的な領域とオブジェクトを調査し、検出方法を設計し、主要なシナリオ条件を要約し、すべての技術要件を改良し、船体、ペイロード、自律性の 3 つの側面からコンセプトを設計または評価するのに役立ちます (図 2)。

図2. Exo-AUVコンセプト開発技術ロードマップ

この技術的ルートに基づいて、この研究では、複数の Exo-AUV システムの運用コンセプト (ConOps for MEAS) も提案されました。最も単純なMEASシステム（図3）は、Exo-AUVキャリア（EAC）、調査モジュール（Easy Survey Module）を搭載したExo-AUV、および観測モジュール（Easy Observation Module）を搭載したExo-AUVで構成されます。 EAC は RTG または SMR 電源と熱源を備え、熱間掘削ハイブリッド方式を採用して氷を貫通します。 EAS と EAO は EAC 内に配置できます。これら 3 つはすべて、光ファイバー インターフェイスを介して音響通信とデータ相互接続を実現できます。 EAS は折りたたみ式の主翼胴体を採用し、RTG 電源を装備することができます。一定の深度、一定の速度、一定の方向に、長い時間、広い範囲を航行できます。また、海底全域を滑空し、氷と水の境界面、海底の大規模空間、特徴的な長さの大きい物体の探知作業も行えます。 EAO は、円盤状の船体、フルドライブ設計を採用し、充電式バッテリーを搭載し、さまざまな MEMS 科学ペイロードを搭載しており、局所的な微小領域における特徴的な長さが小さい物体の検出に適しています。 EAS は水中で機械的に接続した後に EAO と連動して動作することも、別々に動作することもできます。 EAS は EAO のキャリアとして機能し、EAO に課金およびデータ交換サービスを提供することができます。エウロパのさまざまな可能性のある領域における状況はまったく異なります。検出可能な物体は多数存在し、特徴的なスケールは 1 km を超えるものもあれば、1 μm 未満のものもあります。測定規模は、地球全体の氷海空間から地域の微小領域にまで及びます。多数の複雑な技術要件を 1 台の Exo-AUV で満たす必要がある場合、ペイロードはさまざまなシナリオでアイドル状態になり、船体内のスペース、重量、エネルギーが無駄になります。また、ロケットの限られた積載量とスペースにも挑戦することになるだろう。本研究で提案したMEASシステムは、上記の問題を効果的に解決し、個々の操作性と堅牢性、システムの生存性、運用効率を大幅に向上させることができます。大きな発見があれば、複数の打ち上げミッションと複数の氷の侵入を通じて、複数の MEAS システムに基づいて、地球全体の氷海空間をカバーする検出ネットワークを構築できます。

図3. マルチExo-AUVシステムの運用概念

近年、我が国はさまざまな分野で急速に発展し、一連の有名な最先端の設備や技術を生み出してきました。しかし、基礎科学の分野では大きな発見はまだほとんどありません。地球外生命体の発見は、発見装置や技術に関する大規模な科学研究や国家規模のプロジェクトに大きく依存しており、極めて高い科学的意義を持つことになる。その派生的価値は社会の生産と生活に統合され、人々に利益をもたらし国家の競争力を高めるより破壊的な技術の創造を促進することもできる。それは我が国の基本的な国情、長期的な国家政策、そして国際的な地位に合致しています。米国と欧州は早くからこの分野に参入しているものの、Exo-AUVという重要なリンクにおいて絶対的な優位性を確立できていない。我が国は、地球外生命体探査プロジェクトを管理し、関係する草の根組織の提案、議論、決定、開発、任務の実施を調整するためのトップレベルの組織を設立することができます。学際的な研究システム、チーム、人材を育成する。対象天体、科学的目標、プロジェクトの実施および技術開発ルートを示す。段階、レベル、分野ごとに特別な研究とタスクの実装を実行します。現在、Exo-AUVを突破口として、氷天体における生命探査ミッションの装備と技術を徐々に開発し、特殊探査ミッションを遂行することは、国家の復興と人類共通の運命という使命を担う我が国のような大国にとって、大きな戦略的意義を持っています。

詳細については記事全文をお読みください。

王 B、秦 H.D. 2024年。地球外自律型水中探査機（Exo-AUV）をベースにした氷天体内の生命検出方法。サイエンスチャイナ：地球科学、54（11）：3553–3573。