火星探査の新たな計画が導入され、一連の新たな課題を克服する必要がある

最近、我が国は2030年頃に火星サンプルリターンミッションを実施すると発表しました。同時に、インドとロシアは共同で火星探査を計画し、欧州宇宙機関も将来の有人火星着陸という目標を提案しました。突然、各国からの計画が浮上し、火星探査の新たな波がそう遠くないことを示唆した。では、将来の火星探査はどのような新たな目標に焦点を当てるのでしょうか?そのため、各国の宇宙飛行士は新たな課題を克服するために、どのような新しい技術を開発し、応用する必要があるのでしょうか?

注目を浴びる火星の生命

火星探査計画は 1960 年に始まりました。1960 年代と 1970 年代の熱狂と 1980 年代と 1990 年代の静寂を経験した後、21 世紀初頭に新たな探査の波が到来しました。現在、中国、米国、欧州宇宙機関、アラブ首長国連邦などによる９つの火星探査ミッションが進行中。各国や機関の最新の火星探査計画から判断すると、国際航空宇宙コミュニティは今後、火星生命の探査、火星サンプルの帰還、火星衛星探査、火星進化の歴史、火星への有人着陸という5つの分野に重点を置くことになるだろう。その中でも、火星生命探査は最も注目を集めるプロジェクトの一つとなるはずだ。

珠容火星探査車（写真提供：中国国家航天局）

周知のとおり、火星は太陽系の居住可能領域に位置し、地球の「近隣の惑星」です。どちらも地球型惑星であり、その体格、自転周期、元素組成は非常によく似ています。そのため、さまざまな人類文明の初期の神話や伝説、そして現代のSF作品において、火星文明と火星人は永遠のテーマとなっている。興味深いことに、火星での生命の発見という探求は、火星探査の原動力でもあり、宇宙時代の幕開けとともに、ソ連と米国が火星探査ミッションに莫大な資源を投入するきっかけとなった。

現在、マーズ・エクスプレス、フェニックス、スピリット、オポチュニティ、キュリオシティなどの外国の探査車が火星の表面で水、メタン、表面炭素含有有機分子などの生命を支える要素を何度も発見しています。ブルーベリーのような形の石や小石、古代の河川デルタの遺跡、火星の南極の地下の液体堆積物（地底湖のようなもの）などが次々と発見され、火星にかつて大量の液体の水の痕跡があったことが確認されている。研究者たちは、地球から採取された火星隕石の中に古代生命の痕跡と思われるものが発見されたとさえ時々言う。

宇宙技術の進歩により、新世代の火星探査車にはより先進的な機器が搭載され、火星表面に生命の存在を裏付けるさらなる証拠が明らかになりつつあります。既存のミッション計画によれば、ESAのロザリンド・フランクリン火星探査車の重要なミッションは、地下2メートルの深さまで火星の土壌サンプルを掘り、微生物の痕跡を探すことだ。この火星探査車は、初期に DNA の分子構造を発見した英国の女性科学者にちなんで名付けられており、科学界の期待が伺えます。

ESAの火星探査車ロザリンド・フランクリンの打ち上げは何度も延期されている。 （写真提供：ESA）

別の観点から見ると、たとえ火星での生命の発見が失敗に終わったとしても、人類の火星環境に対する理解は大きく深まり、将来の火星の部分的変革や有人火星着陸活動の支援につながるだろう。

サンプリングが再び前面に

歴史的に、火星探査はフライバイ、周回、着陸、パトロールなどのミッションの進化プロセスを経てきました。特に、火星の表面に直接到達する着陸と巡回ミッションは、火星に対する人類の理解を大きく深めました。米国の火星探査車「キュリオシティ」と「パーサヴィアランス」にはレーザーや長距離化学組成分析機器も搭載されており、科学者が関心を持つ岩石サンプルの詳細な調査を行うことができる。

米メディアが公開した火星サンプルリターン計画の概略図。

しかし、同様の高度な検出方法により火星のサンプルを研究する能力が大幅に向上する可能性があるものの、レーザー衝撃と蒸発によりサンプルが損傷することは避けられず、研究が「不正確」になる可能性がある。さらに、火星探査車が搭載する研究機器は高度に集積化・小型化されており、地球の研究所と同レベルの検出精度を達成することは困難です。実際の運用では、火星探査車は自身の移動と通信を確保するために多くのリソースを投入する必要があり、特定の実験に対するリソースの割り当ては極めて限られているため、科学研究の成果は著しく制限されます。

そのため、すべての主要宇宙大国は、火星からのサンプルの持ち帰りを次の段階の重要な目標としている。例えば、米国の火星探査車「パーサヴィアランス」は、複数のサンプルチューブを収集して密封し、火星の表面に投下しました。今後、西側諸国の新しい火星着陸船、探査車、無人機は密接に連携し、火星表面のサンプルを火星周回軌道に打ち上げ、軌道上でランデブー・ドッキングし、火星・地球間の移送を実施し、一連の複雑な宇宙ミッションを通じて、2033年に火星のサンプルを地球の研究所に送り返すことを目指す。我が国も、2030年頃に火星サンプルリターンミッションを開始することを明らかにしている。

研究者が、火星から短期間でサンプルを持ち帰るのは難しすぎると考えている場合、次善の策として火星の衛星がある。

フォボスとダイモスには、火星系の古代の進化の断片が大量に保存されている可能性が高いと考えられています。それらを研究することで、火星系の長い歴史をさらに解明するのに役立つでしょう。たとえば、これら 2 つの衛星の起源は科学界で議論の的となっています。火星の重力によって太陽系から「捕獲」されたと信じる人もいます。火星に衝突した後、大量の物質が宇宙に放出され、その残骸の一部がこの2つの衛星を形成したという見方もある。

どちらの衛星も非常に小さいです。より大きなフォボスの平均半径はわずか11.2キロメートルで、その重力場は極めて弱いため、サンプルリターンミッションの難易度は火星表面の場合よりも大幅に低くなります。

このため、ソ連/ロシアは火星の衛星の探査に莫大な資源を投入しました。複数のサンプルリターンミッションが残念ながら失敗したにもかかわらず、フォボスミッションは依然としてロシアの火星研究の焦点となっている。

同時に、さらに多くの航空宇宙部隊がこれら 2 つの衛星を標的にしています。例えば、小惑星サンプルリターンの分野で大きな成果を上げている日本は、フォボスサンプルリターンやダイモスフライバイ探査プログラムを開始しています。はやぶさ1号とはやぶさ2号の成功経験に基づき、科学者たちはこれに大きな期待を寄せています。さらに、カナダ宇宙庁は民間宇宙軍と協力して、火星の衛星に対する理解を深めるために、フォボスの偵察と国際的な火星探査ミッションを開始する計画だ。

人類の利益のために歴史を明らかにする

火星サンプルリターンミッションの成功後、地球上の大規模な研究室と専門設備の助けにより、火星サンプルに関する人類の研究効率は火星探査車のそれをはるかに上回り、火星の進化の歴史をさらに明らかにする可能性をもたらすことは間違いありません。

実際、火星の進化の歴史を研究することは、人類の地球に対する理解を深める上でかけがえのない役割を果たしています。ますます多くの研究により、火星にはかつては大量の地表水、より濃い空気、そしてある程度の有機物があったが、現在では荒廃した惑星になっていることが明らかになっている。特に磁場がほぼ消滅したため、惑星全体が保護を失い、水と大気が急速に失われ、複雑な生命を育む可能性はなくなりました。

近年、MAVEN「大気の専門家」、ExoMars/TGO微量ガス検出器、Insight Landerなどの海外ミッションは、高高度大気分析から地質コア研究まで、火星の進化の歴史に焦点を当て、火星の現状の背後にある科学的秘密を完全に明らかにしようと努めています。

将来的には、より高度な探査機、より洗練された機器、より強力な通信機能により、火星で収集されるデータの質と量が大幅に向上し、詳細からより多くの手がかりを見つけることができるようになります。例えば、ESAのExoMarsシリーズには、より先進的な微量ガスや有機物検出器、地下レーダーなどの機器が搭載され、火星の秘密を3次元で明らかにし、同様の条件を持つ地球で詳細な調査を実施します。

古代人が言ったように、人間が地球という「ゆりかご」の中で永遠に生きることは不可能です。火星の環境と進化の法則について比較的包括的な理解を得た上で、人類を火星に着陸させ、「火星の故郷」を築くことは、火星探査の野心的な目標とみなすことができ、人類の宇宙史における不滅のマイルストーンとなることは間違いないだろう。

しかし、宇宙推進システム、宇宙輸送システム、宇宙放射線防護システム、生命維持システムの現在の技術レベルに基づくと、火星への有人着陸は依然として多くの困難に直面しています。例えば、ミッション期間が長くなると必然的にシステムの規模が大きくなり、工学的・技術的安全性や宇宙飛行士の心身の健康に多くの隠れた危険が生じることになります。

したがって、有人火星着陸が現実のものとなるためには、多くの革命的な進歩が必要です。航空宇宙技術に代表される工学技術、惑星科学に代表される理論科学、組織社会学に代表される人文科学の総合的なブレークスルーが必要です。

具体的には、大型ロケットや新概念の宇宙推進の研究開発から火星の土壌シミュレーション、火星着陸技術のアップグレードから宇宙医学の進歩、宇宙飛行士の選抜と最適化から長期隔離環境での心理学的研究まで、突破すべき技術はほぼすべての現代学問分野の最先端分野に及びます。

複雑な要求と困難な課題に直面して、航空宇宙科学技術の発展モデルは変化する可能性があります。核心的な資源を集中し、重要な問題を克服するだけでなく、社会全体の各分野の質の高い資源を積極的に導き、統合し、共同で大事業を推進する必要があります。

既存の技術では火星への有人着陸にはまだ程遠いことは認めざるを得ないが、国際航空宇宙コミュニティはそれを明確かつ確固とした開発目標と捉え、着実に進歩を遂げている。おそらく、21世紀半ばまでに、人類は火星に着陸し、「地球種」から「惑星間種」への大きな変革を達成することができるでしょう。 (著者: シュヴァルツシルト)