木星と土星を周回する衛星は、太陽の暖かさから遠く離れています。ほとんどの衛星には大気がなく、多くは何マイルもの厚さの氷の層に覆われています。また、太陽系内で生命を発見する上で、これらの衛星は最有力候補でもあります。凍った地殻の下には広大な海が広がり、米国をはじめとする各国の宇宙機関は、将来これらの衛星を訪れる予定の探査ロボットの開発に精力的に取り組んでいます。
「かつて私たちは、金星と火星の間に液体の水が存在するゴルディロックスゾーンがあると考えていました。そして…太陽系で生命が存在するのはそこだけだと」と、カリフォルニア州パサデナにあるNASAジェット推進研究所で海洋惑星を研究するロボット工学グループのリーダー、ハリ・ナヤル氏は語る。しかし、木星のエウロパと土星の衛星エンケラドゥスには、生命にとって重要な要素、つまり豊富な液体の水、食料、そして深海熱水噴出孔からのエネルギーが存在するようだ。
もし生命体が存在するとしても、到達するのは容易ではないだろう。おそらく、極寒の異星の海の深海を泳いでいるだろう。しかし、宇宙船が太陽系外縁部に到達し、エウロパやエンケラドゥスに着陸できたとしても、生命体はこれらの海面よりはるかに高い位置にある。ロボット探査機は氷の中に潜り込み、液体窒素とほぼ同等の恐ろしい寒さの環境を掘り進む必要があるだろう。
この氷の要塞を突破する方法はいくつかあります。NASAは最近、凍てつく惑星を探査するロボットの新型プロトタイプを試験中であると発表しました。その中には、氷を砕き、その削りくずを内部の高温の容器で加熱する探査機も含まれています。ドイツの研究者たちは、進路上の氷をすべて溶かすロボットを開発しています。そして、他にもアイデアはあります。
これらのロボットを開発するエンジニアたちは、ただまっすぐに掘り進むだけの探査機では満足しないだろう。彼らのロボットは、数ヶ月、あるいはそれ以上のトンネル掘削に加え、地表まで移動し、サンプルを地表まで打ち上げなければならない。これらの勇敢な探査機が氷の惑星に挑み、生命を探る様子を、ここで紹介する。
その下に何があるのか
エウロパやエンケラドゥスに生命が存在するとしても、それは微視的なものだ。「おそらくクジラやダイオウイカ、あるいは小さなチューブワームのような生物は存在しないでしょう」と、ジェット推進研究所の惑星地質学者シンシア・フィリップスは言う。「多細胞生物を動かすにはエネルギーが足りないと考えています」
しかし、海底の噴出孔は地球外微生物にとって有望な生息地となる可能性がある（そして、地球上の生命が誕生したのと同じような生態系である可能性もある）。そして、これらの噴出孔がどこにあろうとも、そこに生命が存在するならば、その生命の痕跡は遥か遠くまで伝わっているはずだ。
「地球の海では、1立方メートルの水を採取すれば、地球上のほとんどの生物の遺伝物質が含まれている可能性が高い」と、ジェット推進研究所の航空宇宙エンジニア、ブライアン・ウィルコックス氏は言う。エウロパやエンケラドゥスの海でも同じことが言えるはずだ。だから、探査機が最終的に海に到達した時、捕獲される水滴はどれも啓発的なものになるはずだ。
「非常に低濃度の物質を検出できる高性能の機器があれば、生物学的分子が存在する場合、それを確実に見つけられる」とウィルコックスは言う。
しかし、これは私たちが送り込める探査機に一定の制限を課すことになる。ロボットは当然生命探査を目的としているため、地球上の微生物を持ち込まないように厳格な規則に従わなければならない。着陸前には、現代の電子機器でさえも耐えられないほどの灼熱温度で滅菌される。NASAは、19世紀に発明されたようなシンプルなグラファイトと銅のモーターを使った探査機を検討している。「120年前に使われていたタイプのモーターを、このベーキングに耐えられる現代の材料だけで作ることができます」とウィルコックス氏は言う。
着陸機は海に触れることがないため、この最も厳しい浄化を免れることができます。そのため、探査機を実際に制御し、採取した水を分析する電子機器は、おそらく海に設置されるでしょう。「探査機は糸の先に操り人形のようなもので、それ自体に知性はありません」とウィルコックス氏は言います。「惑星保護を最優先に考えなければなりません。なぜなら、それがあらゆる問題の中で最も難しいからです。」
スライスとダイス
地球上では、南極やグリーンランドなどの厚い氷の中を、周囲の氷を加熱して溶けるまでさらに深く潜るドリルや探査機を使って調査します。
この方法は木星や土星の衛星では通用しない。「氷の衛星に掘削装置を届けることはほぼ不可能だ」と、ドイツのアーヘン応用科学大学の宇宙工学教授、ベルント・ダッハヴァルト氏は言う。
氷は氷点下数百度だ。「実質的には、その熱をすべて吸い上げてしまうでしょう」とナヤール氏は言う。彼とウィルコックス、そして同僚たちが構想している探査機は、熱をすべて内部に閉じ込め、外部に漏れ出させない。
探査機は回転するノコギリで氷を切り裂き、杭打ち機で穴の奥深くまで打ち込みます。探査機は、片側をもう片側よりも深く氷に切り込むことで、方向転換が可能です。一方、氷片は探査機の断熱ボディに投入され、溶かされます。「探査機のボディ全体は、まるで一日中飲み物を温かく保つ魔法瓶のような、真空ボトルのようなものです」とウィルコックス氏は言います。
熱はプルトニウム（キュリオシティ・ローバーなどの宇宙船の動力源となるプルトニウムであり、核兵器の製造に使用されるものではありません）から供給されます。プルトニウムが溶かした水の大部分は、探査機の背面から排出されます。また、探査機は小さな容器に水サンプルを採取し、テザー内のアルミニウムチューブを通して地表に放出することも可能です。
溶けた水が再び氷になると、このテザーは固定されてしまいます。つまり、探査機はケーブルを地表から引っ張るのではなく、自ら持ち運ばなければなりません。また、探査機を地表まで引き戻すこともできなくなります。「これは、探査機が永久に海底に留まることになるため、絶対に滅菌処理しなければならないもう一つの理由です」とウィルコックス氏は言います。
モグラのように
凍てつく惑星を目指すもう一つの探査機は、ドイツ宇宙機関（DLR）のエンケラドゥス探査プロジェクトのために開発されている「アイスモール」です。全長約2メートルと、毛むくじゃらの同名の探査機ほど小型ではありませんが、設計者は将来の世代機をより短く軽量化する計画です。彼らはすでに南極などの氷の地で、その掘削能力をテストしています。
IceMoleは主に融解探査機であり、つまり氷を加熱して進んでいきます。これには膨大なエネルギーが必要となるため、探査機はおそらく地表に設置された冷蔵庫サイズの原子力発電機から電力を得ることになるでしょう。しかし、この機械式探査機にはアイススクリューも取り付けられています。「この力によって融解ヘッドが氷にしっかりと押し付けられるため、常に良好な熱接触が得られます」と、探査機の設計と改良に長年取り組んできたダッハワルド氏は言います。
通常の融解探査機の問題点は、氷に埋め込まれた埃や砂がロボットの前方にある融解した水の底に沈み、堆積してしまうことです。最終的に探査機は、熱を通すことができない泥の塊に遭遇し、動けなくなってしまいます。IceMoleなら、アイススクリューが汚れた氷の上を移動できるため、このような大惨事は回避できます。設計者は、南極のホア湖で、土や堆積物の多い氷上で探査機をテストしました。IceMoleは速度を落としましたが、停止することはありませんでした。この便利なアイススクリューは中が空洞になっているため、サンプルを吸い上げることができます。
NASAが提案するロボットと同様に、IceMoleは進路を転換できます。溶ける頭部の片側に熱を集中させることで、IceMoleをカーブに誘導することができます。「本物のモグラほどではありませんが、旋回半径は約10メートルあり、大きな障害物を回避するには十分でしょう」とダッハワルド氏は言います。
アイスモールはいくつかの異なる機器を使って航行し、上向きに溶けることさえ可能です。つまり、アイスモールは地表に戻る道を見つけることができるかもしれません。
敵対的な環境
エウロパとエンケラドゥスは、極寒という過酷な条件以外にも、決して住みやすい場所ではありません。表面を移動するロボットは、こうした極限環境の猛威を振るうことになります。
第一に、太陽から遠すぎるため、太陽光発電に頼ることはできません。また、氷の上を車で移動するのも容易ではないかもしれません。エウロパとエンケラドゥスは水蒸気の噴出が考えられており、それが凍って小さな粒となって地面に落ちてきます。「この物質は、互いにくっつかない砂漠の砂丘のように振る舞うので、簡単に沈んでしまう可能性があります」と、砂丘バギーに似た軽量ローバーを設計しているナヤール氏は言います。
エウロパは木星の磁場から放射される放射線に晒されており、無防備な人間なら10分で死に至るほどだ。ロボットにとっても、あまり好ましい環境ではない。「エウロパの表面は基本的に、あらゆる表面探査機に甚大な被害をもたらす荷電粒子の放射線で覆われている」とフィリップス氏は言う。
地上のロボットは、この攻撃から身を守るためにシールドが必要となる。氷に守られた遥か下の探査機にとっては問題にはならないように見えるかもしれない。しかし、探査機は依然として地上の機器に頼ることになる。探査機が何マイルにも及ぶ氷をゆっくりと突き破っていく間、これらの機器は耐えなければならないのだ。
そして、氷自体にも独自の試練が待ち受けている。おそらく純粋な水だけではないだろう。「問題は、その物質の実際の組成が分からないことです」とナヤール氏は言う。ロボットは岩やクレバスを避けて進まなければならないかもしれないし、硫酸などの腐食性化学物質に遭遇するかもしれない。
「氷の中や未知の環境で数ヶ月、あるいは数年にわたって機能するものを持っていて、ほんのわずかな故障でもミッションの失敗につながる可能性があるのは、難しいことです」とダックワルド氏は言う。
NASAは、南極やグリーンランドなどの場所に探査機を送り込み、その性能を確かめることができます。しかし、エウロパやエンケラドゥスと比べると、これらの氷の荒野は楽勝です。エンジニアたちは、特殊な低温・真空チャンバーや極低温の氷床を用いて、実験室で氷の惑星の最も過酷な環境を再現する必要があります。
面倒なことは多いものの、氷の中を進むことには良い面もあります。探査機は固い岩石を溶かして通り抜けるのは容易ではありません。「液体の水を扱うのは簡単なので、実際に氷を溶かしたいのです」とウィルコックス氏は言います。
探査機が航行中に採取するサンプルは、簡単に選別できます。「火星や月のように、サンプルが岩石でできている場所では、中身を調べるためには岩石を砕かなければなりません」とフィリップス氏は言います。氷のサンプルは加熱するだけで済みます。「そうすれば、氷と氷以外の物質を簡単に分離できます。」
探検に最適
エウロパとエンケラドゥスは魅力的ですが、探査対象をこの2つの衛星に限定する必要はありません。地球以外にも、水を含む可能性のある天体は数多く存在します。火星、大型小惑星、冥王星、そして土星のタイタンや木星のガニメデとカリストといった衛星も挙げられます。「太陽系外縁部には、非常に似た構造を利用できる惑星が数十個あります」とフィリップス氏は言います。
同様の着陸機、探査車、そして最終的には探査機が、これらの惑星すべてを私たちの手の届く範囲にもたらすかもしれません。この技術が具体的にどのようなものになるかはまだ不透明です。「他のどの解決策よりも優れていると実証された解決策はありません」とナヤール氏は言います。「これは、私たちがこれまで訪れたどの環境とも全く異なる環境です。」
カッシーニや計画中のエウロパ・クリッパーといったミッションから新たな情報が得られれば、これらの遠方の惑星についてさらに詳しく知ることができるでしょう。これにより、将来、これらの惑星の氷面下を探査する探査機の設計が容易になるでしょう。
これらのロボットがエウロパやエンケラドゥスに着陸するまでには、まだかなりの年月がかかるだろう。エウロパ探査機の打ち上げはおそらく2028年以降だろう。しかし、だからといって宇宙探査機が地球に近い場所で役に立たないわけではない。地球上でも氷に関する研究はたくさんあるのだ。「科学的な研究を伴わずに、ただ技術的な実証だけに資金を投入するのは少し残念なことです」とダックワルド氏は言う。彼と彼のチームは既にアイスモールを使って南極のブラッドフォールズでバクテリアのサンプルを採取している。ブラッドフォールズの氷河内塩水貯留層には、100万年以上も外界から隔絶されてきた、よく理解されていないバクテリアが豊富に存在する。
探査機の宇宙への適合性をテストし、同時に運用する機会は今後も数多くあるでしょう。南極の氷床の下には、まだ探査されていない湖があります。生命が氷の中にどれほど深くまで広がっているのか、また、これらの凍てついた荒野でどれほど生き残ることができるのか、私たちはまだ分かっていません。「他の惑星や衛星の氷の中に生命が存在できるかどうかを知りたいのであれば、地球上で氷の中の生命が誕生する条件を解明する必要があります」とダックワルド氏は言います。
