米航空宇宙局（NASA）は7月30日（米国時間）に新しい火星探査機「Perseverance（パーサヴィアランス）」を搭載したロケットを打ち上げ、“赤い惑星”を目指す6カ月の旅が始まった。クルマほどの大きさの探査機は、フロリダ州のケネディ宇宙センターから発射されたユナイテッド・ローンチ・アライアンス製の中型ロケット「アトラスV」に載せられ、宇宙空間へと到達した。
すでに7月には、中国とアラブ首長国連邦（UAE）がそれぞれ初の火星探査機を打ち上げている。これで今夏、地球からの出発を予定していた3つの火星探査機の打ち上げが、すべて成功したことになる。
目指すは「生命の痕跡」の発見
パーサヴィアランスは、火星で地球外生命体の痕跡を探す自律走行車である。主な任務は、古代生物が存在していた可能性の兆候を火星の土壌から見つけ出し、それを容器に回収した上で、2020年代半ばに送り込まれる別の無人探査機で地球に持ち帰れるようにすることだ。
NASAが手がける5台目の火星探査機には、NASAにとって初の多くの新機軸が盛り込まれている。パーサヴィアランスは、火星探査機として初めてマイクを搭載し、機体が地表に向けて降下する音を録音する。また、探査機として初めてズーム可能なカメラで写真を撮影する。
さらに宇宙機として初めて超軽量ヘリコプターを搭載したほか、探査車として初めて米国産プルトニウムを燃料に採用している。そして初めて宇宙服のサンプルを搭載しており、地球外惑星で試験を実施する。最終的に探査機として初めて火星の土壌を地球に持ち帰る計画であるなど、初ものづくしだ。
とはいえ、それらを達成するには、まずは火星に到達しなければならない。無事に宇宙空間に到達したパーサヴィアランスは今後6カ月かけて、UFOを思わせる白い「エアロシェル」（搭載する宇宙機を大気圏突入時の熱と圧力から保護するカプセル）の中で空虚な宇宙空間を旅することになる。これほど短時間で到達できるのは、火星と地球が26カ月で最も接近するタイミングだからだ。
エアロシェルを生産したのはロッキード・マーティンである。これまでNASAの無人探査機を火星の地表に無事に運んだエアロシェルは、いずれも同社が製造したものだ。「わたしたちは1970年代からエアロシェルをつくっており、技術もかなり成熟してきました」と、ロッキード・マーティンの「Mars 2020」プログラムマネージャーのニール・タイスは語る。
超高温に耐えるシールドの威力
来年2月に火星に到着したパーサヴィアランスが、精度の高い着陸の実行という過去最大の課題にとりかかる際には、この経験が活きてくるだろう。探査機の降下作業は、NASAのエンジニアの間では「恐怖の7分間」として知られている。それほど探査機が大気圏を降下するには時間がかかるのだ。降下の際には、27億ドルのミッションが水泡に帰さぬよう、数々の複雑な機動を手順通りにこなさなければならない。
パーサヴィアランスは時速16,093km以上（時速10,000マイル以上）で火星の希薄な大気圏に突入するが、その際に発生する断熱圧縮の熱は、2,204℃近くにもなる。
ロッキード・マーティンのタイスは着陸船の保護構造について、「耐熱シールドが大気圏突入時に受ける負担は途方もありません」と説明する。しかし、シールドが想定通りに機能すれば、内部の探査機とその繊細な機器が体験する温度は、夏の砂漠の日中気温とさほど変わらない。これは耐熱シールドを覆うアブレーション素材が蒸発することで、熱を放散するからである。
大気圏に突入する耐熱シールドには膨大な圧力がかかかる。この圧力は、ジャンボジェット機の上に座らされた場合に受ける風圧に等しい。亀裂を防ぐためにロッキード・マーティンのエンジニアは、耐熱シールドを6.4cm（2.5インチ）のハニカム構造のアルミニウムで補強した。このアルミニウムは圧力に耐えるだけの強度をもっている。
シールドによる空気抵抗はブレーキとして働き、これがパーサヴィアランスを時速数百キロメートルにまで減速させる。着陸機が地球上の旅客機の巡航高度である上空約11.3km（約7マイル）まで降下すると、少量の火薬が爆発してパラシュートが展開される。その後まもなく、探査機は耐熱シールドを投棄する。
新型のエンジンやマシンヴィジョンも搭載
ここからが正念場となる。着陸機から耐熱シールドが切り離されると、探査機はパラシュートを取り外し、高度約1.6km（約1マイル）で数秒ほど自由落下する。「スカイクレーン」と呼ばれるロケット推進のホヴァークラフトに探査機は取り付けられており、これが軟着陸に導く仕組みだ。スカイクレーンは8基の小型エンジンを搭載し、探査機が高度約800mまで降下した時点で点火する。これにより時速数kmにまで急減速する。
「これらの特殊なエンジンは、実は70年代初頭に『バイキング』号の着陸機用に開発したエンジンから派生したものですが、わたしたちは非常に重要な改良を加えました」と、パーサヴィアランスの着陸システムの推進システムを生産したエアロジェット・ロケットダインの推進装置専門家であるフレッド・ウィルソンは語る。
例えば、新型のロケットエンジンは、広い範囲で推力を調節できる。スカイクレーンを滞空させるために、8〜800ポンドの間で自由に推力を発生させることが可能だ。「わたしの知る限り、過去に開発されて飛行したエンジンのなかで、これほど幅広い出力で調節可能なエンジンは存在しません」と、ウィルソンは言う。
降下中の探査機はカメラを使って撮影し、その画像は専用コンピュータ上で実行されるマシンヴィジョン・アルゴリズムで処理される。探査機はこれらのアルゴリズムによって、火星上空での機体の位置を知ることができる。これにより、進入コースにずれが生じようと、着陸地点を別の場所に変更できるのだ。
パラシュートに向けられたカメラと録音用マイクは、着陸に至るまでの7分間の様子を記録する。わたしたちはついに地球にいながらにして、探査機が火星に降り立つ様子を眺めることができるのだ。なお、当然ながらリアルタイムではない。火星から地球に信号が届くまでには20分かかり、またパーサヴィアランスのコンピューターは機体の損傷を防ぐような重要な処理を優先することになる。
スカイクレーンが地表から約7.6m（約25フィート）まで降下すると、スカイクレーンと探査機は逆推進ロケットの働きにより、定位置でホヴァリングする。そしてスカイクレーンはパーサヴィアランスをつなぐロープを繰り出し、重量が約907kg（2,000ポンド）の探査機は徐々に地面に向けて高度を下げる。そして地表に降り立つと、爆薬によってロープが切断され、スカイクレーンは探査機から数百メートル離れた位置まで飛行してから地面に落下する。
パーサヴィアランスは、惑星科学者らが過去に河川の三角州であったと考えている「ジェゼロ・クレーター」に着陸する予定だ。かつてこの赤い惑星に生命体が存在したなら、このクレーターこそ証拠の発見を期待できる特徴を備えた場所であると、科学者らは考えている。
探査機は最初の数カ月かけて、NASAのジェット推進研究所の管制センターと通信し、すべてのシステムが正常に機能していることを確認する。主要なミッションを開始する準備が整うのは、来年の3月か4月になる予定だ。
地球外惑星で飛ぶ最初の航空機を載せて
火星の微生物の探索開始に先立ち、パーサヴィアランスは「インジェニュイティ」と名づけられた自律飛行タイプのヘリコプターを降ろさなければならない。この商業用ドローンほどの大きさの小型ヘリコプターは探査機の貨物室に搭載されており、地球以外の惑星で飛行する最初の航空機になることが期待されている。
この機体は1カ月で最大5回の短いテスト飛行を実施するにとどまる。だが、将来の火星ミッションのためにより大型の機体を設計するNASAのエンジニアたちは、指針となる貴重なデータを手にすることになるだろう。
インジェニイティを降ろしたパーサヴィアランスは、1年かけて火星の地表を探索し、古代生物の存在を示す生命の痕跡を含むとみられるサンプルを収集する予定だ。ただし、パーサヴィアランスが生物の化石を発見するだろうなどと期待してはならない。パーサヴィアランスの目当ては、岩石の形状や赤土に含まれる微量の分子に見られる、かすかな生命の痕跡なのだ。
2012年に火星に降り立った探査機「キュリオシティ」と同様に、パーサヴィアランスもカメラのマストと長いロボットアームを備えており、わずかな生命の痕跡を見つけ出す上で役立つさまざまな機器が搭載されている。「パーサヴィアランスの車体の大部分はキュリオシティの設計を受け継いでいます」と、パーサヴィアランスのロボットアームの開発を担当したMotivの社長兼最高経営責任者（CEO）のクリス・セアは語る。
だが、ふたつの探査車の多くのシステムが共通しているにせよ、パーサヴィアランスのロボットアームと機器は大幅に高度化している。「当社はアームのサイズや重量を変更することなく、つり上げ能力を50パーセント向上させ、位置合わせの精度を1桁は改善しました」
歴史的な発見に向けた第一歩
パーサヴィアランスは数種類のレーザーを火星の岩石に照射し、その化学的性質を解き明かすことになる。そして生物学的プロセスに関連する傾向のある分子などの有望な物質を発見すると、探査機はドリルを使ってコアサンプルを採取し、車内に一時的に保管することになる。
パーサヴィアランスが収集するサンプルはわずか30個程度で、火星の地表のいくつかの異なる場所に分けて長期保存される。こうすることで、ミッション中に何か問題が起きても、別の機会にサンプルを回収することが可能になるからだ。NASAはいまだに時期を明言していないものの、2020年代中には別の無人探査機が火星の地表に降り立ち、サンプルを回収して地球に帰還することになるだろう。
もし火星に生命が存在したなら、これらのサンプルによってそのことが証明される可能性は大いにある。それは歴史的な発見となり、わたしたちの生命に対する理解を根底から変えることになるだろう。今回、その第一歩が踏み出されたのだ。
［編註：火星探査車の名称を2021年2月から「パーサヴィアランス」に統一しました］
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TEXT BY DANIEL OBERHAUS