ジュノー宇宙船は木星の壊滅的な放射線をどうやって生き延びるのか

巨大な木星は、想像を絶するほど大きい。太陽系の他のすべての惑星と小惑星を合わせたよりも質量が大きく、地球1,300個分の大きさだ。これほど大きな惑星にさらなる保護が必要だとでもいうように、木星は地球の周囲よりも何千倍も厳しい放射線に覆われている。

「木星は、太陽を除けば、太陽系の天体の中では断然最も放射線環境が厳しい」と、ジュノー宇宙船の設計と建造に携わったロッキード・マーチン社のエンジニア、ケビン・ルドルフ氏は言う。

ジュノー探査機は7月4日に木星に到着し、2年間にわたって周回する。ジュノーはどのようにしてこのような猛烈な放射線に耐えるのだろうか？「私たちは基本的に装甲戦車です」とジュノーの主任研究員スコット・ボルトンは言う。「このミッションはNASAにとって多くの点で初めての試みです。木星にこれほど近づくことは、おそらくNASAがこれまで試みた最大の挑戦の1つでしょう。」

放射線はどこから来るのか？

木星の巨大な金属核は、地球の 20,000 倍の磁場を生み出します。そして、地球の磁場と同様に、木星の磁気圏は太陽から放出される電荷​​を帯びた粒子を捕らえます。

磁気圏内の粒子は時間の経過とともに蓄積され、その多くはより危険になります。木星が自転すると、木星の磁場も回転し、磁気網に捕らえられたすべての荷電陽子と電子を加速します。それらはまた、他の粒子と衝突することでより多くのエネルギーを帯びます。

「結局、本質的にはBB弾になる」とルドルフ氏は言う。しかし、BB弾は原子より小さいため、宇宙船の堅固な外殻を通過し、宇宙船の電子機器に問題を引き起こす可能性がある。

「これらのBB弾のような粒子は電子回路に飛び込んできて、チップ上の原子を弾き飛ばしたり、回路内の電子の位置をずらしたりします。弾き飛ばされる量が多ければ、回路を破壊する可能性があります。」

装甲戦車

1. 放射線を避ける

ジュノーの回路が放射線によって破壊されないようにするための第一歩は、放射線への露出を制限することだ。

木星の最も強い放射線は赤道付近に集中しているため、ジュノーの楕円軌道は、その領域をできるだけ通過しないようにする。

「私たちが観測した軌道は、軌道の大部分で木星から遠く離れています」とルドルフ氏は言う。「木星に近づくと、放射線の強い部分を素早く通り抜け、放射線の下を飛んで、すぐに戻ってしまいます。」

「私たちは針の穴を通すようなものなのです」とボルトン氏は言う。「極地を越えることで、大気と強力な放射線帯の間の小さな隙間に降りることができるのです。」

2. 放射線耐性

ロッキード・マーティンはジュノーの設計を火星探査機「マーズ・リコネッサンス・オービター」に基づいて行った。しかし、火星周辺の放射線レベルは木星よりもはるかに低いため、ジュノーチームはいくつかの調整を加える必要があった。

エンジニアたちはジュノーの航空電子工学システムの多くの部品を薄い鉛のシールドで包んだ。このシールドは密度が十分高いため、粒子が貫通しにくい。

また、電子部品の一部を大きくし、放射線の衝撃を緩和した。例えば、トランジスタに原子が 5 個しか入っていない場合、放射線がそのうちの 1 個をはじき飛ばすと、トランジスタの機能は 20 パーセント失われるだろうとルドルフ氏は言う。しかし、トランジスタに原子が 500 個入っている場合、放射線の衝撃で失われるのは 0.2 パーセントだけだ。

「大きければ、放射線に対してより強くなります」とルドルフ氏は言う。

こうした放射線耐性強化により、探査機は 50,000 レムの放射線量に耐えられるようになった。しかし、これはジュノが生涯に浴びる 2,000 万レムには程遠い。さらに耐久性を高めるために、特別な箱を作る必要があった。

3. 放射線を遮断する金庫

ジュノーの電子機器のほとんどは、一辺が約 3 フィートの立方体の中に隠されています。この「金庫」は厚さ 0.5 インチのチタンで作られており、高速で移動する荷電粒子がジュノーの繊細な部品に衝突する前に停止または減速します。

もちろん、ジュノーのソーラーパネルやカメラは暗い箱の中に閉じ込められては役に立たない。それらと他のセンサーは金庫の外に置かれ、ケーブルで金庫内の回路に接続されている。

これらの外部部品には追加の保護が施されている。たとえば、宇宙船の方向を決めるために星を観察するカメラは、片側だけが開いた厚さ 1 インチの容器に包まれている。

ソーラーパネルアレイの上部には、厚さ 12 ミリのガラス板が取り付けられています。ガラスは太陽光パネルが機能できるように光を通しますが、放射線や有害な塵粒子に対する保護も少しだけ提供します。

4. 過剰補償

放射線がジュノーの太陽電池パネルにどのような影響を与えるかを調べるために、技術者たちは、ルドルフ氏が「ホットドッグ」型と表現する、電子をセルに発射する部屋にセルを入れた。

実験の結果、ミッション期間中に太陽電池の出力が 10 ～ 15 パーセント低下することがわかった。そのため、チームはパネルを 10 ～ 15 パーセント大きくした。こうすることで、ミッションの終わりが近づいても、ジュノーは写真や測定を行うのに十分な電力を確保できる。

全体的に、ジュノーは科学者が想定する量の2倍の放射線に耐えられるよう設​​計されている。4000万レムという総放射線耐性は、放射線レベルが予想よりも高かった場合にも多少の誤差を許容する余裕があり、2018年11月以降もミッションを延長する可能性も残している。

エウロパへの道を切り開く

ジュノーの放射線防護センサーは、これまで以上に木星を詳細に映し出してくれる。このミッションは木星がどのように形成されたかの解明に役立ち、ひいては太陽系、さらには生命そのものがどのようにして誕生したのかを解明する助けとなるかもしれない。

NASA はまた、木星の衛星エウロパへの探査ミッションを真剣に検討している。科学者たちは、エウロパは太陽系内で地球外生命体が見つかる可能性が最も高い場所の 1 つだと考えている。エウロパは木星の強力な放射線帯を周回しているため、ジュノーの設計は、最終的にエウロパに向かう宇宙船の設計に役立つ可能性がある。

「エウロパの放射線量は木星から受ける放射線量よりはるかにひどい」とルドルフ氏は言う。「彼らは何か気の利いたことをしなければならないだろうし、NASA もこのミッションから教訓を得るだろうと確信している。」